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電子鎮(zhèn)流器中電感線圈參數(shù)的選擇與計(jì)算
本文首先介紹了磁性材料的特性，然后根據(jù)它的特性，討論電子鎮(zhèn)流器中電感線圈參數(shù)的選擇與計(jì)算方法，包括選用磁芯尺寸、氣隙大小、線圈圈數(shù)和漆包線線徑等。
關(guān)鍵詞：錳鋅鐵氧體 初始磁導(dǎo)率 磁通密度 飽和磁通密度 功率損耗 居里溫度 氣隙
考慮到一些工程技術(shù)人員對磁性材料及所涉及的計(jì)算公式不夠熟悉，為便于展開討論，本文從基礎(chǔ)知識(shí)講起，首先介紹在電子鎮(zhèn)流器中常用的錳鋅鐵氧體磁性材料的一般特性和磁路的基本計(jì)算公式，然后，在此基礎(chǔ)上，再討論電感線圈計(jì)算中有關(guān)問題，包括磁芯尺寸、氣隙大小、磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁芯損耗以及線圈的圈數(shù)和線徑的計(jì)算等。這些內(nèi)容對于從事電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的人員無疑是很有用的。
一．錳鋅鐵氧體磁性材料的一般特性
表征磁性材料的磁性參數(shù)有以下數(shù)種：
1.初始磁導(dǎo)率μi
初始磁導(dǎo)率是基本磁化曲線上起始點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之比。任何一種磁性材料的初始磁導(dǎo)率可以按以下方法求得：用該材料做成截面積為A（cm2)的圓環(huán)，平均直徑為D（cm)，在圓環(huán)上均勻分布繞線N匝，在LCR電橋（例如TH2811C數(shù)字LCR電橋）上，測出其電感為L（H），則可按下述計(jì)算公式求出其磁導(dǎo)率
式中，Le、Ae分別代表磁芯磁路的有效長度及有效面積，如式（1）除以真空磁導(dǎo)率μ0（μ0=4π×10-7（H/m）），則得到相對初始磁導(dǎo)率，它可以表示為：
式（1）、（2）中，L的單位為亨（H），D、有效長度Le的單位為cm，A、有效面積Ae的單位為cm2。如D、A分別換用mm、 mm2為單位，則式（2）中zui后一項(xiàng)應(yīng)換成1010。公式（2）由于除以μ0，所以是無量綱的，一般在磁性材料的工廠手冊中給出的初始磁導(dǎo)率，就是按式（2）求得的。
例1 有一個(gè)R5K材料磁環(huán)，其尺寸為外徑12mm、內(nèi)徑6mm、厚4mm，試計(jì)算其相對初始磁導(dǎo)率。
解：在磁環(huán)上繞4匝線圈，測出其電感（用TH2811C數(shù)字LCR電橋在10kHz條件下測量電感）為53.1μH。直接查廠家提供的數(shù)據(jù)表，查得磁環(huán)的有效磁路長度Le=26.1mm，有效截面積為11.3mm2。如沒有這些數(shù)據(jù)，作為粗略估算，其有效磁路長度可按外徑和內(nèi)徑的平均值計(jì)算出圓環(huán)的周長來代替，即Le=π(12+6)/2=9π mm=28.2mm；有效截面積并非等于由磁環(huán)厚度與其外徑、內(nèi)徑之差的乘積計(jì)算出的實(shí)際面積，而應(yīng)考慮磁場強(qiáng)度（或磁通密度）沿半徑方向內(nèi)強(qiáng)外弱的線性變化，磁通并非均勻分布，故實(shí)際面積應(yīng)除以2，才是其有效面積。按這樣方法求得的值為12mm2，與手冊表中所給數(shù)據(jù)差不多，代入式（2）得：
根據(jù)以上計(jì)算，上述材料應(yīng)為R5K材料。目前工廠使用的測量磁導(dǎo)率的儀器，如磁環(huán)參數(shù)分選儀UI9700，儀表指示的不是相對初始磁導(dǎo)率的值，而是它的相對大小。
磁性材料的初始磁導(dǎo)率μi不是固定的，它隨溫度的變化而變化，如圖1所示。圖中給出的是金寧公司的磁性材料JP4A（相當(dāng)于TDK的PC40）的初始磁導(dǎo)率隨溫度變化的曲線。
（相對）初始磁導(dǎo)率隨溫度之變化
2. 有效磁導(dǎo)率eμ(Effective permeability)
在閉合磁路中，用有效磁導(dǎo)率μe來表示磁心的導(dǎo)磁性能：
式中，L為裝有磁心的線圈的電感量（亨利，H），N為線圈的匝數(shù)，le為磁芯的有效磁路長度（mm)，Ae為磁芯的有效截面積（mm2)。μ0為真空磁導(dǎo)率(4π×10-7H/m)
顯然這里μe是相對于真空磁導(dǎo)率的比值，也是無量綱的。
如果在閉合磁路中，磁芯各段截面積不同，此時(shí)磁芯的有效磁導(dǎo)率為
式中 L為裝有磁芯線圈的自感量（亨），N為線圈匝數(shù)，
Li為具有均勻截面積第i部分的磁路長度（mm）
Ai為該部分的截面積（mm2）
對于一個(gè)中心開有氣隙長度為lg的E形磁芯，如忽略磁芯本身的磁阻，認(rèn)為磁場強(qiáng)度全部降落在氣隙上，則有效磁路長度即等于lg，式（4）zui后一項(xiàng)可去掉Σ符號，簡單地寫作lg/Ae，如此，式（4）將變?yōu)?/p>
因?yàn)榭諝庀兜南鄬τ行Т艑?dǎo)率μe為1。以μe=1，帶入上式，由此可得氣隙lg的表達(dá)式為：
lg=4π•10-10N2•Ae/L (5)
式中，lg 以mm為單位，Ae 以 mm2為單位，L以亨為單位。在國外某些公司發(fā)表的技術(shù)資料中采用式（5）作為初步估算氣隙長度的依據(jù)。但如果計(jì)算出來的氣隙不夠大，則磁芯部分不能忽略不計(jì)，這個(gè)數(shù)值是不夠準(zhǔn)確的。
3. 電感因數(shù)(Inductance Factor)
電感因數(shù)是指磁芯的單匝電感量。一個(gè)裝有磁心的電感，繞有N匝線圈，其電感值為L，則磁芯的單匝電感量即電感因數(shù)AL，可按下式求得：
AL= L/N2 或 L=N2•AL （6）
AL 單位為nH／匝2(有的資料省去分母不寫， 簡寫為nH)。一般取N=100，測得電感量L后，按式（6）計(jì)算出AL值，廠家在其產(chǎn)品手冊會(huì)給出未磨氣隙的每種規(guī)格磁芯的AL值以及有效磁路長度、有效截面積、有效體積等，例如PC30材料EEI3的AL值為1000nH；EE16A的AL值為1100nH；EE2的AL值為1900nH。由于磁性材料參數(shù)的零散性，這個(gè)數(shù)值并不很準(zhǔn)確，有+/-（15~25）%的誤差。我們使用時(shí)，一般都磨氣隙，由于有氣隙存在，AL值雖然變小了，但是電感因子卻相對穩(wěn)定了，零散性也小了。為求得磨氣隙后磁芯的AL值，我們可以在相應(yīng)骨架上先繞100匝，裝上磁心，測得其電感值L，根據(jù)式（6），即可算出開氣隙后磁心的AL值。例如EE2中心磨氣隙1.6mm.后，其AL值降為59.6 nH。
已知某種型號磁芯的AL值，要求繞制的磁芯線圈的電感量為L，可求得所需繞的線圈的匝數(shù)N
電感量和圈數(shù)的平方成正比，圈數(shù)變化1%，電感量大約變化2%。在繞制電感時(shí)，如只在小范圍內(nèi)改變電感量時(shí)，可按此原則調(diào)整、估算圈數(shù)。
例2 已知EE16（中心磨氣隙0.8mm）的AL值為46.8 nH/匝2，為繞制2.8mH的電感，應(yīng)繞多少匝數(shù)N?
例3 已知某電感采用EE16磁芯，所繞匝數(shù)N1為305、電感量L1為4.5mH，今欲繞制的電感為L2=3.4mH，試求出應(yīng)繞的匝數(shù)N2
解：由公式（7）知
兩式相除，得
代入相應(yīng)
所以，已知磁芯的AL值，對于確定電感所應(yīng)繞的匝數(shù)是很有用的。