硬件学习笔记 --84 电感的磁滞损耗介绍

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一、核心概念：什么是磁滞损耗？

磁滞损耗是铁磁性材料（如铁、硅钢、铁氧体等）在交变磁场中被反复磁化时，由于材料内部的磁畴不断翻转摩擦而产生的能量损耗。这部分能量最终会以热量的形式散发掉。

简单来说，当你给一个带磁芯的电感通交流电时，一部分电能没有用来建立磁场，而是在磁芯内部“内耗”掉了，变成了无用的热。

要理解这个过程，我们必须借助磁滞回线。

1. 磁化与磁畴

2. 交变磁化循环
我们沿着上图中的磁滞回线，追踪一个完整的交流电周期：

从 O 到 A（初始磁化）： 当外部磁场 H 从零开始正向增加时，与 H 方向一致的磁畴开始扩大，吞噬方向不一致的邻域。磁感应强度 B 快速上升。
从 A 到 B（饱和）： H 继续增大，所有磁畴的方向都被迫转向与 H 一致，达到磁饱和点 Bs。此时再增大 H，B 也几乎不增加了。
从 B 到 C（减小磁场）： 当 H 从最大值减小时，B 并不沿着原路径返回。因为很多磁畴由于内部摩擦“卡”在了原来的方向上。当 H 减到零时，B 并不为零，而是保留了一个值 Br（剩磁）。
从 C 到 D（反向磁化）： 为了将 B 降为零，必须施加一个反向的磁场 -Hc（矫顽力）。这个过程中，磁畴需要克服更大的阻力来翻转方向。
从 D 到 E（反向饱和）： 反向磁场继续增大，使所有磁畴反向排列，达到反向饱和 -Bs。
从 E 回到 B（完成循环）： 当 H 从负最大值回到正最大值时，B 会沿着 E -> F -> B 的路径完成整个回线。

3. 能量损耗的产生
这个“磁滞回线”本身，就是能量损耗的直观体现。

回线的面积代表能量： 磁化曲线（B-H曲线）所包围的面积，直接等于一个磁化周期内，单位体积磁芯所消耗的能量。
为什么会有损耗？ 在磁化过程中，外部磁场对磁畴做功，使它们转向。在退磁和反向磁化过程中，磁畴翻转时需要克服内部摩擦阻力（类似于物体的内摩擦），这个过程是不可逆的。克服阻力所做的功，就转化为了材料内部晶格的热振动能，即热量。
“磁滞”的含义： B 的变化总是“滞后”于 H 的变化，这种现象就叫磁滞。正是这种“滞后”，导致了能量的损耗。

根据经验和公式，磁滞损耗功率 PhPh 可以用以下经验公式估算（斯坦梅茨公式）：

Ph∝f⋅Bmn⋅V

其中：

在电感器和变压器设计中，减小磁滞损耗至关重要，它关系到设备的效率和温升。

选择合适的磁芯材料：
- 使用“软磁材料”：这类材料具有窄而瘦的磁滞回线，即矫顽力 Hc 小，剩磁 Br 小。回线面积小，意味着损耗低。
- 常见低损耗材料：
  - 硅钢片：在铁中加入硅，增加电阻率，同时减小磁滞损耗。是工频变压器和电机的首选。
  - 铁氧体：电阻率极高，涡流损耗和磁滞损耗都很低，非常适合高频应用（如开关电源、射频电路）。
  - 坡莫合金：具有极高的磁导率和极低的矫顽力，损耗极小，用于高性能、小体积的磁芯。
  - 非晶、纳米晶合金：现代高性能材料，磁滞回线非常窄，损耗极低。
优化工作条件：
- 降低工作磁通密度 Bm：在设计时，不要让磁芯工作在饱和区附近。
- 注意频率适用范围：每种材料都有其最佳的工作频率范围，超出后损耗会急剧增加。