磁饱和

概念定义

磁饱和是铁磁性或亚铁磁性材料在强外加磁场下呈现的物理特性，常见于铁、镍、钴、锰及其合金。材料尚未饱和时，提高磁场强度 H 会使材料进一步磁化，磁通密度 B 随之明显增加；当 H 达到一定程度后，磁化强度接近定值，继续加强励磁只能使 B 缓慢上升，这一状态称为磁饱和。

磁饱和不表示磁通密度完全停止增加。进入饱和区后，B 仍会主要按真空磁导率对应的关系缓慢增长，但增长速率远低于饱和前。材料的磁化曲线或 BH 曲线会在这一阶段明显弯曲并逐渐变平。

工作原理

铁磁性材料内部由许多磁畴组成，每个磁畴可视为具有特定磁化方向的微小区域。没有外加磁场时，各磁畴方向较为分散，产生的磁场大致互相抵消。施加外部磁场后，磁畴逐步转向外磁场方向，材料的整体磁化增强，磁通密度也随之提高。

随着更多磁畴趋向外磁场方向，可继续调整的空间逐渐减少。当外加磁场超过特定水平后，进一步增加 H 所引起的磁化变化已经很小，材料便进入饱和区。饱和并不意味着所有磁畴都完全对准外磁场，其饱和状态下的磁畴结构也会随温度而变化。

技术构成与特性

磁饱和涉及磁性材料、磁芯或磁路、产生励磁的线圈，以及决定工作点的电流或外加磁场。磁场强度与磁通密度的关系可用磁导率 μ＝B/H 表示，相对磁导率则为 μr＝μ/μ0，其中 μ0 为真空磁导率。磁性金属的磁导率并非常数：相对磁导率通常随 H 增大而升至峰值，进入饱和后转而下降，最终趋近 1。

不同材料的饱和磁通密度并不相同。用于变压器的高导磁铁合金约在 1.6至2.2 T 饱和，铁氧体约为 0.2至0.5 T，部分非晶态金属合金约为 1.2至1.3 T，μ合金约为 0.8 T。材料选择、磁芯截面和允许的励磁范围因此会共同限制磁路的工作区间。

影响与应用场景

在电动机、发电机和电力变压器中，磁饱和限制磁芯能够有效承载的磁通，也是高功率设备需要较大磁芯的重要原因之一。在变压器和电感器内，电流过大可使磁芯进入饱和，令电感及其他特性随电流发生非线性变化。交流系统中的这种非线性可能产生谐波和互调失真，因此线性电路通常会限制信号强度，并可在部分磁芯中设置气隙。制造商也会以饱和电流标示使磁芯进入饱和状态的线圈电流。

磁饱和也可作为主动利用的工作机制。饱和变压器能够在弧焊设备中限制电流；铁磁共振变压器可借助磁芯进入饱和状态抑制次级电流继续增加，从而发挥稳压作用。饱和铁芯感应器和磁放大器则通过独立控制绕组中的直流电改变磁芯工作点，进而调节电感器对交流电的阻抗。这类原理亦用于萤光灯镇流器、功率控制系统、磁通门罗盘和磁通门磁强计。