磁芯飽和是設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)的主要考慮因素。大多數(shù)應(yīng)用都力求避免這種情況。正如我們?cè)谏弦黄恼轮杏懻摰哪菢樱梢酝ㄟ^(guò)減少電感器的匝數(shù)將磁芯的磁通密度限制在飽和水平以下。然而，這也會(huì)降低電感。
　　另一種更有用的技術(shù)是在磁芯上添加氣隙，同時(shí)將匝數(shù)增加適當(dāng)?shù)谋稊?shù)。這種方法使我們能夠控制電感和飽和電流參數(shù)。添加氣隙還可以增加電感器的能量存儲(chǔ)能力，并使其不易受到磁芯磁性變化的影響。
　　我們將在本文中詳細(xì)討論這些優(yōu)點(diǎn)。但在深入討論之前，讓我們先回答一個(gè)基本問(wèn)題：為什么電感器和變壓器要使用磁芯？
　　空芯電感器與磁芯電感器
　　空心電感器充當(dāng)天線。它向附近的電路發(fā)射不需要的電磁輻射，并接收來(lái)自環(huán)境的可能干擾電路運(yùn)行的電磁信號(hào)。
　　另一方面，磁芯的高磁導(dǎo)率使其能夠?qū)⒋艌?chǎng)集中在預(yù)先定義的空間區(qū)域。這使我們能夠增加繞組之間的磁耦合。這樣，使用磁芯可以創(chuàng)建具有大電感的電感器和具有高耦合的變壓器。
　　圖 1 顯示了三種不同的磁芯幾何形狀。這些幾何形狀可分為兩種類型：閉環(huán)和開環(huán)。

　　從左到右：兩種不同的閉環(huán)磁芯幾何形狀和一個(gè)棒狀開環(huán)磁芯。

　　圖 1.左圖和中圖：閉環(huán)磁芯。右圖：開環(huán)磁芯。
　　圖 1 左側(cè)和中間的磁路是閉合的，導(dǎo)致磁通量大部分被限制在磁芯內(nèi)部。然而，當(dāng)我們檢查右側(cè)的棒狀磁芯時(shí)，磁力線在周圍空氣中閉合。因此，磁芯形成了一個(gè)開放的磁路。在電感器中，通常選擇環(huán)形或其他類型的閉環(huán)磁芯來(lái)化磁芯中的磁場(chǎng)并限制磁通量泄漏到磁芯外部。
　　總而言之，磁芯可實(shí)現(xiàn)緊湊、高值電感器，并限度地減少電磁干擾，尤其是在使用閉環(huán)磁芯時(shí)。然而，盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，磁性材料也有兩個(gè)主要的不理想之處：
　　滯后。
　　高度非線性的BH曲線。
　　為了在鐵磁芯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之間取得平衡，通常在芯環(huán)內(nèi)添加氣隙。

　　什么是間隙磁芯？

　
　　纏繞在有間隙的磁芯上的電感器。
　　圖 2.纏繞在具有氣隙的磁芯上的電感器。
　　空氣是一種線性材料，不會(huì)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。因此，氣隙可以改善線性度并降低磁滯效應(yīng)。然而，這些改進(jìn)是以降低總電感為代價(jià)的，我們將很快討論這一點(diǎn)。
　　雖然這看起來(lái)似乎違反直覺(jué)，但帶氣隙的磁芯也能在氣隙中儲(chǔ)存相對(duì)較多的能量。這種能量?jī)?chǔ)存能力在電源設(shè)計(jì)應(yīng)用中非常有用，因?yàn)槲覀冃枰缘牟牧铣杀尽⒊叽绾椭亓枯敵龃罅抗β省?br>　　間隙磁芯的分析
　　讓我們分析圖 2 中的氣隙磁芯，看看氣隙如何影響不同的電感器參數(shù)。假設(shè)：
　　磁芯具有相對(duì)磁導(dǎo)率μ c和平均長(zhǎng)度l c。
　　該間隙的相對(duì)磁導(dǎo)率為 1，長(zhǎng)度為l g。

　　磁芯和氣隙的橫截面積（A ）相等。

　　圖 3 顯示了該氣隙鐵芯的等效磁路。
　　圖 3.有氣隙鐵芯的等效磁路。
　　在上面的模型中：
　　n是電感器的匝數(shù)
　　i是電感電流
　　 mc是磁芯的磁阻
　　mg 是氣隙的磁阻。
　　磁阻量化了磁路對(duì)磁場(chǎng)流動(dòng)的阻力，以 At/Wb 為單位。磁芯和氣隙磁阻可分別通過(guò)公式 1 和公式 2 得出：　Rmc = lcμcμ0A

　　等式 1.　　

     Rmg = lgμ0A

　　等式 2.
　　如上所述，假設(shè)磁芯和氣隙具有相等的橫截面積 ( A )。當(dāng)l g相對(duì)于橫截面尺寸較小時(shí)，這是一個(gè)合理的假設(shè)。
　　從圖3中的電路模型我們可以得到：　ni = Φ(Rmc + Rmg)等式 3.
　　該方程將通過(guò)鐵芯的磁通量 (Φ) 與施加的磁通勢(shì)聯(lián)系起來(lái)。
　　帶氣隙磁芯的有效磁導(dǎo)率

　　如果磁芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于 1（μ c 1），則有間隙的磁芯的有效相對(duì)磁導(dǎo)率為：

    μeff ≈ lclg

　　等式 4.
　　在哪里：
　　l c是芯的平均長(zhǎng)度
　　l g是間隙長(zhǎng)度。
　　例如，當(dāng)l c = 100 l g時(shí)，有間隙的磁芯的有效相對(duì)磁導(dǎo)率為 100。這里重要的一點(diǎn)是，只要μ c ? 1，間隙就會(huì)主導(dǎo)磁芯的行為。
　　氣隙減少電感
　　由于間隙會(huì)降低磁芯的有效相對(duì)磁導(dǎo)率，因此增加間隙也會(huì)降低結(jié)構(gòu)的電感也就不足為奇了。達(dá)到相同結(jié)果的另一種方法是應(yīng)用電感的定義。我們知道電感定義為：
　　L = nΦi
　　等式 5.
　　通過(guò)結(jié)合公式 3 和公式 5，我們發(fā)現(xiàn)氣隙磁芯的電感為：
　L = n2Rmc + Rmg
　　等式 6.
　　氣隙會(huì)增加總磁阻并降低電感。盡管總磁阻明顯降低，但氣隙磁芯具有三個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：
　　它們降低了對(duì)材料滲透性的敏感度。
　　它們會(huì)增加飽和電流。
　　它們?cè)黾恿藘?chǔ)存的能量。
　　讓我們逐一了解一下這些優(yōu)點(diǎn)。
　　氣隙降低了對(duì)材料磁導(dǎo)率的敏感性
　　如果沒(méi)有氣隙，電感量與磁芯材料的磁導(dǎo)率成正比，磁導(dǎo)率會(huì)隨溫度變化，并且是施加磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性函數(shù)。這使得電感量很難控制。
　　現(xiàn)在考慮一個(gè)有氣隙的磁芯。由于氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于磁芯材料的磁阻，公式 6 可以改寫為：　L ≈ n2Rmg = n2(lgμ0A) = n2μ0Alg
　　等式 7.

　　從上文可以看出，氣隙磁芯的電感主要取決于氣隙特性（A 和l g）。由于空氣的磁導(dǎo)率（μ 0）是恒定的，因此可以調(diào)整氣隙長(zhǎng)度，以構(gòu)建受磁導(dǎo)率變化影響較小的受控電感。

　　圖 4 比較了磁芯材料與帶間隙磁芯的 BH 曲線。
　　有氣隙和無(wú)氣隙的磁芯的BH曲線。
　　圖 4.有間隙磁芯與無(wú)間隙磁芯的 BH 比較。
　　如上圖所示，引入氣隙會(huì)降低曲線的斜率（或者說(shuō)電感），但也會(huì)產(chǎn)生更線性的響應(yīng)?；叵胍幌?，只要磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于 1（μ c ? 1），氣隙就會(huì)主導(dǎo)磁芯的行為。
　　氣隙增加飽和電流
　　圖 4 清楚地表明，氣隙會(huì)增加飽和場(chǎng)強(qiáng)（或相應(yīng)地增加飽和電流）。沒(méi)有氣隙時(shí)，磁通所受的磁阻很小。因此，相對(duì)較小的電流就能使磁芯飽和。
　　當(dāng)磁芯中引入間隙時(shí)，有效磁阻會(huì)增加。因此需要更大的電流來(lái)使磁芯飽和。讓我們計(jì)算一下電感器在達(dá)到飽和之前可以處理的電流。
　　根據(jù)公式 3，氣隙電感的B值由下式給出：
  　B = ni(Rmc + Rmg)Ac
　　等式 8.
　　其中A c是磁芯的橫截面積。因此，飽和開始時(shí)的電流為：

   　Isat = BsatAcn(Rmc+Rmg)　

  　等式 9.

　　其中B sat是飽和磁通密度。氣隙會(huì)增加磁芯的有效磁阻，從而增加飽和電流。
　　氣隙增加儲(chǔ)存的能量

　　我們知道磁場(chǎng)可以儲(chǔ)存能量。磁場(chǎng)中每單位體積儲(chǔ)存的能量（wm）是磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）在磁通密度變化范圍內(nèi)的積分：

  　wm = ∫B2B1HdB　

   　等式 10。

　　這與我們?cè)诒鞠盗形恼虑懊娣治龃艤p耗時(shí)推導(dǎo)出的方程相同。

　　圖 4 顯示，引入氣隙會(huì)降低 BH 曲線的斜率。這會(huì)增加 BH 曲線左側(cè)的面積，表明電感器可以存儲(chǔ)更多的能量。

　　圖 5 比較了有間隙磁芯與無(wú)間隙磁芯存儲(chǔ)的能量。綠色陰影區(qū)域 (A 1 ) 對(duì)應(yīng)于無(wú)間隙磁芯的功率密度。藍(lán)色陰影區(qū)域 (A 2 ) 顯示有間隙磁芯的功率密度。
　　比較有氣隙和無(wú)氣隙的磁芯的儲(chǔ)能容量。
　　圖 5.綠色和藍(lán)色陰影區(qū)域分別顯示無(wú)間隙磁芯和有間隙磁芯的功率密度。
　　通過(guò)快速目視比較 A 1與 A 2，可以清楚地看出，帶氣隙的磁芯比無(wú)氣隙的磁芯可以存儲(chǔ)更多能量。如果我們?cè)黾託庀堕L(zhǎng)度，BH 曲線的斜率會(huì)進(jìn)一步降低，從而實(shí)現(xiàn)更大的能量存儲(chǔ)容量。帶氣隙電感器中的大部分能量實(shí)際上存儲(chǔ)在氣隙中。
　　選擇間隙長(zhǎng)度和圈數(shù)
　　我們看到，氣隙會(huì)增加飽和電流，但會(huì)降低電感。為了補(bǔ)償氣隙造成的電感損失，我們可以增加線圈的匝數(shù) ( n )。這會(huì)增加線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使電感恢復(fù)到所需值。

　　假設(shè)氣隙磁阻遠(yuǎn)大于磁芯磁阻，則公式 6 和公式 8 簡(jiǎn)化為：　

   L ≈ n2Rmg

　　等式 11.

　　和：

　　B ≈ niRmgAc

　　等式 12.
　　增加n的值會(huì)導(dǎo)致電感 ( L ) 和磁通密度 ( B ) 也增加。但是，L與n 2成正比，而B與n成正比。因此，當(dāng)n增加時(shí)，電感的增長(zhǎng)速度比磁通密度快。
　　如果我們?cè)黾? mg和n，則可以在不改變電感的情況下降低磁通密度。例如，假設(shè)k 是大于 1 的任意值。如果我們將 ? mg 增加 k 倍，將 n增加\ ( \ sqrt{k}\) 倍，則L保持不變，但B會(huì)減少
　　何時(shí)使用帶氣隙鐵芯的變壓器
　　在許多應(yīng)用中，我們使用變壓器將交流信號(hào)從電源傳輸?shù)截?fù)載。在這種情況下，我們通常使用無(wú)氣隙磁芯。增加氣隙會(huì)降低任何給定外形尺寸的可實(shí)現(xiàn)電感，并導(dǎo)致變壓器不太理想。
　　其他變壓器（例如點(diǎn)火線圈和反激式變壓器）用于儲(chǔ)存能量，然后將其傳輸?shù)酱渭?jí)繞組。這些應(yīng)用可能會(huì)使用間隙磁芯，因?yàn)樗鼈兛梢詢?chǔ)存大量能量并顯著降低磁滯損耗。
　　例如，典型的汽油動(dòng)力汽車使用的點(diǎn)火線圈具有約 250 匝的初級(jí)線圈和約 25,000 匝的次級(jí)線圈。初級(jí)線圈與汽車電池相連，通過(guò)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)儲(chǔ)存能量。為了點(diǎn)燃火花塞，初級(jí)線圈電流被切斷。這會(huì)使磁場(chǎng)崩潰，從而在次級(jí)線圈中感應(yīng)出高壓電動(dòng)勢(shì)。
　　這樣，磁場(chǎng)能量就變成次級(jí)線圈中的強(qiáng)電流脈沖，從而點(diǎn)燃火花塞并點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的燃料空氣混合物。在點(diǎn)火線圈中使用間隙鐵芯有助于確保足夠的能量到達(dá)次級(jí)繞組。