摘要：  本文讲述了铁氧体材料的主要使用频率范围、工作环境和现有各种磁芯结构的优缺点。应用磁学原理、计算方法定性地给出电感系数与磁芯结构尺寸的关系，提供了科学设计电子变压器、电感器的依据。

关键字：  软磁铁氧体，磁芯结构，磁芯常数，频率，气隙

1 前言
我们已经步入信息化、电子化时代，互联网和将要实施的物联网给我们的生活带来很多方便和实惠。家用电器产品品种不断增加，通信电子产品也层出不穷。
近年来，电子变压器、电感器所用的铁心材料和导电材料连续涨价，上游原材料形成卖方市场。作为下游的电源、照明电器和电子整机用户，可以在全球范围内选择和采购，形成买方市场。处于中间位置的电子变压器行业，只有走技术创新之路，才能摆脱这种两头受气的困境。然而，在比较成熟的电子器件行业里，技术创新比较困难。但是，每一个细小环节的改进，就可以带来新的产品和利益。
进行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。电子产品普遍以“轻、薄、短、小”为特点向小型化和便携化发展。因此，减小体积和重量，降低成本，已成为电子器件发展的主要方向。要想达到目的，首先要了解所用材料的本质特性和使用环境条件，既要完成具体功能，又不能影响其它器件。
2 铁氧体材料磁心适用的频率范围
磁性材料越来越广泛地被使用在电工、通信、脉冲技术、微波技术等设备之中，根据使用的情况来看，大体可分为两种，一种是在较低频率和高磁通密度下应用，如电机、变压器。由于频率较低，电阻率可比较高频率下小些，这类磁性材料主要是金属磁性材料，它往往工作于高磁通密度下，有时接近于饱和磁化区域。此时非线性特别严重，波形问题是突出问题。另一种是在较高频率和低磁通密度下应用，如各种电子线路中应用的磁性器件。因频率高(104-109Hz)，要求材料电阻率大。这类材料主要是铁氧体材料，它在多数场合下是工作于起始磁化区域，但开关电源变压器、振荡回路中的扼流电感器等并不工作在起始磁化区域，有时也在接近于铁氧体材料的饱和磁化区域。
较规范的频率段分割是音频（声频）：20Hz-20000Hz (20kHz)，高频：20kHz以上。音频中50Hz或60Hz叫工频，60Hz到20kHz，20Hz到60Hz都是音频范围，60Hz到20kHz也有叫做中频范围。高频中由无线电通信波段应用来分20-50kHz的高频、50-200kHz中高频、200-1MHz甚高频、1MHz以上超高频。超高频中微波段300-3000MHz为分米波段、3000-30000MHz为厘米波、30000-300000MHz为毫米波、300000-3000000MHz为亚毫米波。根据雷达上的应用微波范围又分为P、L、S、C、X、J、K、Q、O、V专用波段，常用到的波长为3厘米的微波系统，其中心波长为3.2厘米，频率为9370MHz。
铁氧体材料的主要应用频率范围在10kHz-1GHz以上，它波及音频、高频和超高频。变压器不论工作频率高低，都是通过电磁感应来传输能量的。传输能量的大小与变压器所用的材料、结构、尺寸和工作频率有关。电子变压器是在电子电路和电子设备中使用的变压器，可以区别于电力变压器，但还包括射频信号变压器，频率范围很大。工作频率在20kHz以上的才叫高频电子变压器。
3 铁氧体材料本身的缺点
软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，软磁铁氧体的饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，是它的几大缺点。尤其是居里温度低，饱和磁通密度Bs和单位体积功率损耗Pcv都会随温度变化。温度上升，Bs下降，Pcv开始下降，到谷底后再升高。汽车电子设备中的电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下工作，就必须采用高温高Bs软磁铁氧体．软磁复合材料(SMC)是上世纪90年代开发出来的新型软磁材料，想把金属材料的工作频率向MHz级和GHz级扩展。
4 软磁铁氧体磁心结构形状变化
软磁铁氧体磁芯结构比较多，这是由于采用粉末压坯烧结而成，比较容易加工成各种形状。有EI、EE、EER、EP、UF、UYF、RM、PM、PQ、Q（罐形）、T（环形）和LP形等等。EI、EE形已形成EI10-50，EE8.3-EE110系列，品种多，制造工艺简单成熟，散热好，便于引出接线，成本较低。缺点是磁芯中间柱截面为方形，给线圈绕制带来麻烦。同时无屏蔽、容易产生杂散磁场干扰。ＥＥＲ形已有EER25-54系列，中柱截面为圆形，绕线比较方便，同时绕线长度比方形截面缩短11%，从而降低铜损。但是仍无屏蔽。EP形已形成7至30系列，中柱截面为圆形，而且一边又屏蔽，另一边有缺口，便于引出接线。UF形已形成9.8-25系列，可以两个柱绕线，便于引出接线，散热好，但是截面为方形，无屏蔽。UYF形已形成10-18系列，有两个截面为圆形，一个方和一个园。RM形已形成4-14系列，有中心孔和无中心孔两种，中柱为圆形，两侧有屏蔽，有两边缺口，便于引出接线。PM形已有PM50-114系列，其两侧屏蔽比RM形磁芯更宽，效果更好。Q形（罐形）有Q7/4-Q40/29系列，屏蔽效果最好，单位空间电感值高，但缺口小，引出接线不便，有中心孔的便于安装。PQ形已形成PQ20/16-PQ50/50系列，比Q形开的缺口大，接线方便，而且背面散热面积大，是高频电源变压器用磁芯结构中综合性能最佳的一种。LP形已有LP23/8-LP32/13，也适用于高频电源变压器。T形（环形），大部分截面为矩形，磁路无气隙，电感值大，漏磁小。
所有磁芯结构形状设计都应符合磁路原理，效率和漏磁均可以由调整截面积和磁路长度决定。[#page#]
5 哪一种结构形状最好？
上面已详述了它们的优缺点，哪一种形状都可以做得最好。从结构上来讲，环形能够做到漏磁最小，但声音听感（音频时）方面EI形可以把中频密度感做得更好一些。单就磁饱和而言，EI形比T形（环形）强，但环形又优于EI形。关键是你能不能扬长避短将它们的优点发挥出来。不下足功夫或一味地省成本，那它当然容易饱和了。
变压器的传输能量与磁芯、线圈密切相关，其传输速度对声音的影响起决定性作用。像EI形变压器，它的中频较厚，高频比较纤细，是因为它的传输速度相对比较慢。而环形呢？低频比较猛，中高频则又弱一些，是因为它的传输速度快。
可见，磁芯的气隙影响能量的传输速度、效率和频率成分比例。这就给我们提示有规律使用方法：频率高，气隙大，但要防止漏磁干扰；效率高，气隙小，但要防止饱和。根据你所要求的工作频率，平衡两者关系，平衡铜阻与铁阻，再保证不干扰其它器件。
6 基本计算公式与磁芯尺寸数据
6.1 磁学基本公式
磁场：∮Hdl=NI，H=NI/l     (A/m)
这里H为磁场强度，N为线圈匝数，I为电流，l为磁路长度。A/m为安培/米。
磁芯中，加正弦波电流所产生的磁场：H=(2)1/2*NI/le   (A/m)。
这里le为有效磁路长度。
磁通密度：B=μ0H+J，B=μ0(H+M)。
这里J为极化强度，M为磁化强度。
磁芯中，加正弦波电流所产生的磁通密度：B=0.225V/fNAe。
这里V为电压值，Ae为有效截面积，f为频率。
磁导率：μ=μ0μr=B/H，μi=B/μ0H（当H 0）。
这里μi为起始磁导率，μ0为空气磁导率。
有气隙时：μe=μi/(1+gμi/le)，叫有效磁导率。
这里g气隙尺寸。
H较大时，没有偏置磁场时，μa=B/μ0H。叫振幅磁导率。
有一直流偏置时，μΔ=(1/μ0)[ΔB /ΔH]HDC。叫增量磁导率。
频率较高时μ=μ'S-jμ"S或1/μ=1/μ'P-1/jμ"P。叫复数磁导率。
电感系数，AL=L/N2（单位nH/N2）。
这里L为电感量。
绕线匝数：TS=[要求L(nH)/AL(nH/N2)]1/2。
在无气隙时，μi=(C1/ 0.4π)×AL。C1为磁芯常数。
6.2 在IEC标准中规定的磁芯常数及其计算方法
C1＝Σli / Ai　(mm-1)
C2＝Σli / Ai2　(mm-3)
le＝C12 / C2　(mm)
Ae＝C1 / C2　(mm2)
Ve＝C13 / C22　(mm3)。Ve为磁芯有效体积。
6.3 部分形状磁芯尺寸与磁芯参数
6.3.1 UF/UU形磁芯
6.3.2 T形(环形)磁芯举例
6.3.3 EP形磁芯
6.3.4 PQ形磁芯
6.3.5 RM形磁芯
6.3.6 EE形磁芯例子
6.3.7 EI形磁芯举例
6.3.8 EFD形磁芯
7 电感系数与磁芯有效参数
闭合磁路中（可带气隙）磁芯的有效磁导率可以表示为：
μe=(C1/ 0.4π)×AL，而C1=Σli/Ai
可得到AL(g)∝μe / C1。
AL(g)∝1/Σli /Ai，而Σli/Ai∝le/Ae。
可得到AL(g)∝Ae /Le，这就是电感系数与有效截面积、有效磁路长度的关系。
根据上节提供的磁芯尺寸数据计算可知：
EI、EE、EER形磁芯的Ae/le值低于EFD形，更低于RM形和PQ形，也就是效率低。当然也可以调整EI、EE形的中柱截面积（加宽型磁芯）和脚长缩短（低矮型发展）来提高效率。
AL(g)∝μe，而μe=μi/(1+gμi/le)。
可得到AL(g)∝μi/(1+gμi/le)。这就是电感系数与气隙尺寸的关系。
根据功率类材料的磁导率在2000-5000之间，再考虑到磁场饱和问题，可以计算得最佳气隙尺寸。
8 EMI与EMC问题
军用计算机和通信领域早在1980年代就很重视抗EMI问题，并付诸于实施。1990年代世界各大铁氧体磁心生产厂家就开始开发建立高阻抗系列材料。但在灯用电器上一直不重视，自2003年起国家强制执行3C认证开始，各企业才真实地作这方面的工作。
一个完整的电路，在实现主要功能的同时，还必须保证各器件之间互相不干扰，整个电路不受电网干扰、也不干扰电网和其它电子设备，这样才具备兼容性、实用性。选择好EMI滤波器，选择好滤波器所用铁氧体材料、磁心形状尺寸和加工工艺，才能真正达到设计要求和使用效果。
气隙、漏磁、电磁干扰是有直接关系的，合理设计气隙位置、气隙尺寸是直接影响电感线圈和高频变压器的稳定性的。气隙位置要设计在线圈中间，任何金属或导磁导电材料加在周围和在周围移动，线圈电感量不能变动。否则工作频率就不稳定，该器件的电磁干扰就不可能达标。用在灯上就出现亮度变化。
9 结束语
磁学是一门深奥的学科，它能为各种不同结构形状的铁氧体磁芯使用找到规律，选择好最佳工作点，是我们电磁产品设计人员必不可少的工具。
感谢先辈们为我们留下的知识财富。
参考文献(略)
编者介绍
须栋，高级工程师，研究生导师，全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会委员，中国电子元件行业协会磁性材料与器件分会、中国电子材料协会磁性材料分会软磁技术顾问。1982年毕业于兰州大学物理系磁学专业，长期从事磁性材料及器件研究、生产和应用。
历任：电子部32研究所下属上海华埔科技有限公司总经理，上海宝钢天通磁业有限公司总工程师，横店东磁软磁部技术顾问。
现任：上海依林磁业有限公司总经理，桐乡市耀润电子有限公司总工程师。