关键词：交直流叠加 磁化曲线 磁调制器 磁放大器 扼流圈 滤波电感

　　磁调制器、磁放大器和扼流圈（或称滤波电感）等磁性器件都在交流和直流磁化场同时存在的情况下工作。直流磁场有时也叫偏置磁场，例如磁放大器用的铁心一般要加偏置磁场，使有良好的放大特性。

　　也有一些磁性器件，例如音频磁头，少数滤波电感在一个较低频率的磁化场和一个高频磁化场同时存在的条件下工作。本节仅介绍交直流叠加磁化条件下的几种动态磁性能。

　　1．交直流叠加磁化曲线
　　在交直流叠加磁化条件下，磁心的性能将有一系列不同于交流磁化的特点。如图1-7所示，若在磁心上加一偏置磁场Hb，同时外加一个正弦变化的交流磁化场H_mcosωt，则在磁心上感应出一个周期不对称变化的磁通，由于波形不满足周期反对称的条件，见式（1-6），所以它应含有包括基波在内的各次谐波。一般情况下，若不加控制，磁感应强度B和磁化场强度H同为周期不对称的波形。当然，这时的动态回线，也明显地不对称，见图1-8，图中a）表示交流回线，b）表示交直流叠加磁化条件下的动态回线。实验发现，在此条件下动态回线的形状与偏置磁场强度的大小，交流磁场强度的幅值和频率均有关系，从它得不到具有确切含义的动态磁参数，所以交直流叠加磁化条件下的动态回线在磁性器件的设计中较少采用。用得较多的是平均幅值磁感应强度和平均幅值磁化场强度之间的关系曲线，即交直流叠加磁化曲线，定义

式中B₁、B₂、H₁和H₂的意义见图1-8 b）。

　　交直流叠加磁化曲线与交流磁化曲线不同的地方是：交流磁化曲线的起始点是软磁材料的磁中性点，而交直流叠加磁化曲线的起始点纯由材料的原始状态及偏置磁场的大小所决定，不同的偏置磁场强度，有完全不同的-曲线。实验发现，测量时，磁感应强度B和磁场强度H的波形对-曲线的影响十分严重，远非波形对B_m-H_m曲线的影响所能相比。由于交直流叠加磁化曲线的这种不确定性，使它的使用价值受到一定的限制。

　　2．控制磁化曲线
　　磁放大器是工业上广泛使用的磁性器件之一，同电子管与半导体放大器相比，它具有稳定可靠，使用寿命长，容易实现级间的耦合和隔离等特点，故在航空和空间技术中有其特殊的使用价值。按其工作方式，磁放大器可分为外反馈式（饱和电抗器式）和内反馈式（自饱和式）两大类。

　　（1）外反馈式
　　此时，铁心上同时加有交流和直流磁化场。仿照铁心的实际使用状态，交流磁化强度H_m是固定不变的，测量磁感应强度变化量△B=（B1-B2）与偏置磁场强度H_b之间的关系曲线，就是外反馈式控制磁化曲线。图1-9а）是外反馈式控制磁化曲线，图1-9b）偏置磁场强度H_b变化过程中动态回线变化的示意图。因为测试中，维持为恒定值，故随H_b的变化动态回线表现为许多局部回线。

　　严格来说，外反馈式磁放大器不过是一种具有特殊组合方式（例如桥式）的饱和电抗器，要测量的△B-H_b曲线也不过是交直流叠加磁化曲线的另一种表示形式。因为此曲线以为参数，故当变化时，可有不同的△B-H_b曲线，见图1-9а）。如图所示，当逐渐降低时，△B逐渐减少，在低于某数值时，会成为曲线（Ⅰ）所示的形状。

　　由△B-H_b曲线，可求得软磁材料的最佳交流激磁磁场强度H_m和对应的磁感应强度B_m。所谓最佳交流激磁磁场强度，就是在此磁场强度下，材料磁化已接近饱和，不会出现如曲线（Ⅰ）所示的饱和不足，因而使铁心磁状态不稳定。也不会如图1-9а）中曲线（Ⅲ）中所示的过饱和，因而消耗较多的交流激磁功率的状况。由曲线还可求得控制磁导率μ_c

式中，△B为磁感应强度变化量，它等于2B_m；H₂和H₁分别为对应于2△B／3和△B／3磁感应强度变化量时的偏置磁场强度，见图1-9а）。

　　（2）内反馈式
　　另一种称为内反馈式或自饱和式的磁放大器，在它的工作绕组N_L中通过的是半波整流电流，其原理电路见图1-10 а）。图中：N_s为信号（或偏置）绕组；N_L为工作绕组；E_s为信号电源；R_s为其内阻；e为交流激磁电源；D为二极管；R_L为负载电阻。所有其他形式，例如单拍和双拍式自饱和磁放大器都由图1-10а）所示的基本电路构成。

　　为了检验此类磁放大器所用铁心性能的优劣，需把1-10 а）改成 b）的样子。图
b）中：S_w为用来通断偏置电流i_b的开关；L_d为滤波电感；r为调节偏置电流大小的可调电阻器；N_b为偏置线圈；平均值电压表V_av用来侧量样品次级线圈N₂上的感应电压以确定磁感应强度变化量△B。二极管D,电阻R1和交流电源e组成了半波整流恒流电源。

　　铁心的动态回线在偏置电流变化时也发生如图1-11 а）所示的变化，而图1-11 b）则反映了铁心的△B在H_b变化过程中的变动情况，这条曲线即通称的控制磁化曲线或恒电流磁通回归特性曲线。由图1-11 b）可知，在H_b=0时，即开关S_w断开时，铁心由半波整流电流激磁到正向饱和点B_m，故此时铁心在幅值磁感应强度B_m和B_r之间变化，变化量△B = B_m - B_r，接着加一与半流整流电流产生的磁场反向的偏置磁场H_b，铁心磁化的起始点由零变到- H_b的那一点。相应地铁心的磁状态由剩磁点B_r沿动态回线移到对应于- H_b的那一点。若Hb等效于铁心的交流矫顽力H_ca，则铁心的磁感应强度在0～B_m之间变化。若Hb增大到等效于- H_m的数值，铁心被负向磁化到饱和，称铁心磁通完全回归。此时，铁心的磁感应强度在- B_m到+ B_m之间变化。在测试中，应注意维持半波整流电流为恒定值。

　　由测得的控制磁化曲线上的五个点可求得所谓的控制磁参数，这五个点是：（1）由铁心的磁通完全回归时定出的磁感应强度的幅值B_m，即图1-11　b）中的点①，此时的△B　=　2B_m，有时2B_m也可由交流磁化曲线的测量来确定；（２）对应于偏置磁场强度H_b = 0时的点②，此时的磁感应强度变化量△B = B_m - B_r；（3）在△B = B_m时的点③，此时对应的偏置磁场强度Hb的数值叫控制矫顽力H_co，H_co与交流矫顽力H_ca不同，它是被直流反磁化场强度等效的矫顽力，数值比H_ca低；（4）点④所对应的磁感应强度的变化量为2B_m／3，偏置磁场强度为H₁；（5）点⑤所对应的偏置磁场强度为H₂，△B=4B_m／3。

　　由这五个点，可方便地求得铁心工作磁感应强度B_m，矩形比B_ra／B_m，控制矫顽力H_co和控制磁导μ_c。μ_c定义为：

μ_c也叫铁心增益。B_m，B_ra／B_m，H_co和μ_c等四个磁参数共称为控制磁参数，是磁放大器设计中主要的参考数据。一般说来，从B_m的数值就可按给定的电源电压算出铁心在该工作频率下的工作绕组N_L；由B_ra／B_m可知磁放大器的工作效率及放大倍数的线性范围；由μ_c可求得磁放大器的电流或功率放大倍数；由H_co可确定磁放大器铁心应加的偏置安匝数，即确定工作点等。

　　3．增量弹性磁导率μ_△＇
　　对滤波电感一类的磁性器件，要求其在宽的频率范围或宽的直流磁场强度区间有较大的电感值，以滤除直流电流中的纹波。而且要求器件的电感值恒定，故出现了一系列的恒导磁合金，65NilMnFe就是其中一种，其恒导磁性是通过横向磁场热处理使铁心的磁滞回线倾倒而实现的。

　　由于磁心线圈的电感与弹性磁导率μ＇成正比，故为了对脉动的纹波有较大的阻力，必须使滤波电感的铁心有很大的动态磁导率。一般把磁心线圈上同时作用有直流和交流磁场时的动态磁导率称为增量弹性磁导率μ_△＇，定义

式中 l为样品的平均磁路长，对环形样品，l = πD，D为平均直径；N1为磁激线圈匝数；S为铁心的横截面积；
　　L_△S为增量电感，即在一定的交流和直流磁场同时作用下测得的磁心线圈的电感值。

　　构成封闭磁路的软磁材料，其增量磁导率随频率和偏置磁场强度的升高而激烈减少，很快到达其饱和值。为防止饱和，通常把铁心开口，并在开口的缝隙处插入一块非导磁的物质。开口的结果，使铁心在开口缝隙的两个端面上产生强烈的退磁场，把铁心材料的物质磁导率μ变为物体磁导率μ_k，数值大大降低，

式中 N_d为退磁因子，主要由材料的形状所决定。由上式可见，若材料的μ很大，则μk ≈ 4π／N_d，通过改变N_d的大小，使可改变μ_k的大小，以及所要求控制的磁导率恒定的工作磁场强度的范围。

　　4．偶次谐波量U_2f
　　在交直流叠加磁化条件下，激磁电压或电流中都会产生偶次谐波。实验发现，在较低的直流磁场强度作用下，所产生的偶次谐波电压（通常用二次谐波电压U_2f来说明）与外加直流磁场强度呈线性关系；并且U_2f除与软磁材料的磁性能有关外，还与激磁电路的状况有关。利用这个现象可以测量直流磁场强度。

　　一般来说，为使测量磁场强度的磁心探头有较高的灵敏度，所用软磁材料的磁滞回线的矩形性要好，铁损要低，即动态矫顽力要小。目前，很多求解U_2f与被测磁场强度H_x之间关系的数学解析式，都假定软磁材料的动态回线为没有损耗的并由几段折线构成，所以得到的结果只能是近似的。

　　随着直流磁场强度的增大，U_2f与磁场强度之间的线性关系不再成立，所以像磁通门磁强计一类的利用铁心偶次谐波特性来测量直流磁场强度的仪器，仅适于测量从10^-10～10^-3特斯拉（10^-8～10奥斯特）之间的直流磁场强度。磁通门磁强计探头中铁心的体积一般很小，形状有条形、扁环形、环形和管形几种，多用具有高导磁性能的超坡莫合金薄带制成，例如80Ni5MoFe和81NiMo6Fe等。只是这些合金薄带的磁特性对应力敏感，经高温退火后材质较软，经不起任何外界应力的作用。同时因为很薄，差不多都在0.1毫米以下，高温退火前必须涂绝缘层，所以目前较难得到灵敏度高、稳定性好的铁心探头。

　　由于晶态软磁材料工艺处理太复杂，实践上较难满足制造探头铁心的要求，故在某些要求不高的场合，人们宁肯使用对应力不敏感，强度高、弹性恢复力好的非晶态软磁合金来做铁心，制造磁场强度测量的仪器。

　　利用磁通门磁强计能测量弱磁场强度的原理，人们把它用到钢件的探伤、测量材料的剩磁以决定材料的硬度等非磁量的探测方面去。

　　5．磁调制器用铁心参数
　　磁调制器是直流电流比较仪的心脏部件，其原理电路如图1-12所示。图中的铁心1、2，其几何尺寸、性能安全相同，且铁心的激磁线圈N₁和N₂也完全相同。在理想条件下，即在铁心1和2的电路完全对称时，若外加被测电流在铁心上所产生的磁场强度为零，则图中AB两点间输出电压e_AB也为零。由于器件制作时，已考虑到AB两点间的输出电压e_AB为两铁心绕组偶次谐波的叠加，所以双铁心器件的灵敏度比单铁心的至少高1倍。

　　磁调制器用铁心除了要有磁通门磁强计用铁心的低动态矫顽力，高的矩形比以外，还应有低的温度漂移和没有低频摆动（低频噪音）。在实际电路中，一般用峰差检测器来指示e_AB的大小。工作时，待测信号电流产生的磁场与已知恒流电流产生的磁场同时作用在铁心上，由于两者的方向相反，故平衡时，铁心上实际作用的磁场强度趋于零。

　　实际发现，直流电流比较仪中的磁调制器用铁心，即使是薄于0.05毫米的高导磁坡莫合金，其静态矫顽力低于0.8安／米，层间绝缘良好，动态最大幅值磁导率μ_am很高，也未必就可以使用，这是因为铁心产生的温漂和低频噪声等可能不好。据经验，温漂除与材料的成分有关外，还与铁心实际的热处理规程有关，低频摆动与材料及铁心所受的应力状况有关，可能是某种巴克好森（Barkhausen）噪声的反映。

　　总之，在交直流叠加磁化条件下软磁材料特性的测量，不像交流磁化条件下那样直观和单纯，实际的动态磁参数多从磁性器件的工作状态出发引伸出来的，实用性很强。本书仅对交直流叠加和控制磁化曲线的测量方法作介绍，增量弹性磁导率μ_△＇的测量方法仅作简略介绍，而对偶次谐波量与偏置磁场强度的关系，磁调制器用铁心动态磁参数的测定则不再述及。