細說變壓器元件 (三) 什麼才是好鐵芯？

鐡芯是整個變壓器裡，扮演了磁力傳遞的角色。當輸入的電流經一次線圈產生磁力後，在被線圈包圍的鐵芯部份感應了磁力，而當磁力線在整個鐡芯部位流轉時，被二次線圈感應到，又產生了輸出的電壓和電流。

由於能量守恆定律，輸入的電壓X電流 = 輸出的電壓X電流 + 損失。

損失又可分為銅損和鐡損，銅損指的是漆包線本身(電阻)造成的能量損失，而鐵損指的是鐡芯造成的損失，通常會以熱或噪音的方式呈現。

鐵損主要分類：

♦ 磁滯損：

在可被磁鐵吸引的金屬內，都存在鐵磁質，組成鐵磁質的基本單位是磁疇。磁疇在金屬內是呈現混亂排列的 (如下圖一)。而當變壓器的線圈通電後產生磁力，鐵芯磁疇受到磁化後，依磁力方向產生排列移動，但磁疇是不規則的，所以在移動時互相推擠，因此產生熱能。

在同一個交流頻率(如60Hz)的磁場中，每一週期正負極反轉的時間相同，鐵芯磁疇移動週期相同，故磁滯損是相同的；但若交流頻率越高，則磁滯損失越高，因磁疇移動累積了更多熱能。

      (圖一、磁疇：磁力方向不一)                   (圖二、磁化後的磁疇)

      (圖片取自維基百科)

♦ 渦流損：

當鐵芯因感應產生磁場變化，鐵芯也是一種導體，所以在鐵芯內也會產生循環的電流，稱為渦電流。當磁場變化越快，渦電流就越強，從而產生熱能。所以在變壓器設計時，就要想辦法減少渦電流的熱能損失，目前業界的做法有下列幾種：

1. 用含矽量更高的矽鋼片，矽增加了鐵的電阻率，以減少渦流損。

2. 用較薄的矽鋼片堆疊，因為渦流損和電流循環面積成正比，薄的矽鋼片切面面積較小，損失較小。

3. 使用導磁但不導電的材料，例如在高頻變壓器使用鐵氧體，而不是矽鋼片。

(圖片取自維基百科。厚的鐵芯有較大的渦流損，薄的鐵芯可減少)

(圖片取自維基百科。矽鋼片交錯堆疊)

♦ 其他損失：

非以上兩種損失，通稱為其他損失，例如溢散的磁力線造成的磁力損失 (又稱漂游損或磁漏)。像EI型的變壓器，在直角轉角處，較容易有溢散的磁力線 (就是磁力線噴出去回不來)，而環型或C型因為接近圓型，磁力損失較小，但相對的製作上比較耗時。

介紹完鐵芯的損失之後，接下來說明鐵芯的用途和材質分類。

常用鐡芯分類有3種：高頻鐵芯、低頻鐵芯、電感用鐵芯。

♦ 高頻鐵芯：高頻使用的鐡芯稱為鐵氧體(Ferrite core)。它是一種不導電的陶瓷材料，以氧化鐵為主要成份，再加上其他金屬，例如：錳(Mn)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鎂(Ng)、銅(Cu)等。常用的組合為錳鋅(MnZn)系列、鎳鋅(NiZn)系列及鎂鋅(MgZn)系列，頻率範圍為1kHz到1MHz以上。

(圖片取自維基百科。EE型鐡芯)

♦ 低頻鐵芯：低頻多使用矽鋼片(Silicon lamination)堆疊而成，一般含矽量為0.5~4.5%。加入矽可提高鐵的電阻率和最大磁導率。一般厚度為0.5mm及0.35m甚至更薄。矽鋼片的兩面會塗上0.01~0.013的絕緣漆膜，使片與片之間絕緣。

*矽鋼片再依照晶粒可分為：

A. 方向性矽鋼片：方向性矽鋼片的晶粒具有強烈方向性，具有優越的高磁導率與低損耗特徵。像小編所在的公司健銘電機，都是使用日本JFE進口的35JG155 (俗稱Z11)，日本製品質就是好。坊間有許多不知名的Z11，便宜是很便宜，但來路不明，要求品質的您或音響玩家們，您們敢用嗎？

(Z11，呈現灰色)

B. 非方向性矽鋼片：表示晶粒是隨機排列的，磁導率及鐵損均不及方向性矽鋼片，但勝在便宜。小編的公司所使用的非方向性矽鋼片，均採用台灣中鋼出品的冷軋鋼卷，雖然不是日本進口，但連特斯拉電動車中的馬達用的矽鋼片也是中鋼的，所以在品質上有一定的保證。

*矽鋼片依照製作工藝，又分為鍛燒和無鍛燒：

C. 鍛燒：鍛燒後外觀呈現黑色。矽鋼片最終形狀為冷軋鋼卷沖壓而成，其沖剪的應力導致鐵損增高，故在矽鋼片沖壓後會經過鍛燒(退火)程序以消除應力，恢復原來的磁導性。

(鍛燒矽鋼片，外觀呈現黑色)

D. 無鍛燒：外觀呈銀白色，即冷軋鋼卷直接沖壓成片，未經過鍛燒，故鐵損較高，但成本較低。台灣北部變壓器廠家愛用無鍛燒的矽鋼片，然後跟客戶說有沒有鍛燒的效果都一樣。在這裡小編跟大家說，有燒過效果絕對不一樣，不要被商人話術騙了，您沒得到該有的品質，反而價差都進了商人的口袋!

(無鍛燒矽鋼片，外觀呈銀白色)

♦ 電感用鐵芯：主要是供電感線圈繞線所使用的鐵芯，依形狀可分成環形(TOROID)、棒形(ROD CORE)及鼓形(DRUM CORE)。材質則有鐵氧體和粉末鐵芯，粉末鐵芯又包括鐵鎳鉬合金(MPP)、鐵矽鋁合金(Sendust)、鐵鎳合金(high flux)和鐵粉芯(iron powder)。

環形：

(圖片取自互動百科)

棒形：

(圖片取自百科知識)

鼓形：

(圖片取自百科知識)

當然也有空心線圈 (即不用鐵芯的線圈)：

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