电感设计(包含磁导率的计算)

电感设计杨帆…电源技术应用网0引言的匝数和线圈截面积，接着再估算气隙长度，最终依据实际状况调整设计。磁性材料的选择在选用磁性材料时，考虑的因素是工作开关频率、磁通密度、磁导率、损耗大小、工作非晶态合金。铁氧体最高频率可以到达1MHz，而且电阻率高，高频损耗小，但是其饱和磁感应比较低，而且受温度影响大，在常温(25℃)的0.42T到100℃时的0.34T。铁氧体目前晶态合金适用于几十到几百kHz的工作频率，比铁氧体有更高的饱和磁感应和相对较高的损温顺冲击的军用场合。磁芯外形目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU、和UI各种型号，以及进展的平面磁芯，如EFD、EPC、LP型等磁芯。罐型和PQ型磁芯有较小的窗口面积，减小了EMI传播，用于EMC要求严格的场合。但是其窗口宽度不是很大，只能用于125W以下的低功率场合。大功率应用散热困难。由于引出线缺口小，大电流出线困难，也不适用于高压场合，由于出线的安全绝缘处理困难。EE、EC、ETD、LP磁芯都是E型磁芯，有较大的窗口面积，窗口宽而且高度低，漏有利于空气流通，散热便利，可以处理大功率，但电磁干扰大。EC、ETD磁芯的中柱圆形截面与EE型一样矩形截面积时，圆形截面每匝线罔比矩形短大约11％，即电阻少11％，线圈的损耗和温升也相应降低，但是没有EE型磁芯的尺寸齐全，不能像EE型磁芯一样合并使用。RM和PMRM磁芯有两种构造，有中心孔和没中心孔。在有些谐振电路中要求准确的调谐，使用带有中心孔的磁芯，在中心孔插入磁棒调整电感量，调整范围可以到达30％。但在功率磁芯中不承受，由于磁棒损耗大。PQ型具有最正确的体积与辐射外表和线圈窗口面积比。因磁芯损耗正比于磁芯体积，而出功率积最小。积小，磁通密度和磁场变化处处都是重要的区域，计算相当困难。UU型和UI型主要用在高压和大功率的水平，很少用在lkW以下。他们比EE型有更大的窗口，可以用更粗的导线和更多的匝数。但磁路长度大，比EE型有更大的漏感。对于环型磁芯，线圈均匀分布在整个磁芯上，杂散磁通和EMI集中都很小，但是大功率绕线困难。磁芯尺寸在磁芯材料和磁芯外形确定了以后，下一步工作就是估算磁芯尺寸。当功率比较小时，比较通用的方法是面积乘积法，它是磁芯截面积和线圈有效窗口面积的乘积。损耗不严峻当损耗不严峻，阅历公式如式(1)所列。式中：AW为窗口面积；Ae为磁芯截面积；Ip为最大峰值电流；Bmax为磁芯的饱和磁感应强度。损耗严峻损耗严峻时，阅历公式如式(2)所列。式中：△Rmax为最大磁通密度摆幅；K1K2系数的取值如表l所列。数，最终再校验设计的合理性。线圈匝数的计算由安培环路定律，可得式中：Hδ为气隙磁场强度；δ为气隙长度；Ho为磁芯磁场强度；Lo为磁芯磁路长度。由于空气的磁导率远低于磁芯的磁导率，所以，式(3)可以近似成为式(6)就为线圈匝数估算公式，其中电流取电感的最大峰值电流Ip。气隙估算和把能量返回到电路中去，由气隙储能的关系，可得可知，在磁芯不饱和的状况下，磁导率不能太高，也不能太小，因此，可以在高磁导率恒近似地估算出气隙的大小，具体公式如式(8)所列。把L、Ip、、Bmax代入式(8)求出V，然后依据磁芯所开气隙的截面积就可以近似地算出气隙大小。计算导体尺寸集肤效应表示，△的意义如下，从外表到电流密度下降到外表电流密度的O.368的厚度为穿透深度流过电流，△与频率ω和导线物理性能的关系为式中：μo为导线材料的磁导率：为材料的电导率；K为材料电导率温度系数；T为导线温度。所以在选择绕组的导线线径时，应使线径小于两倍穿透深度。电流密度在大功率条件下，电流密度的选择一般在2.5～3A/mm2，在自然冷却条件下，一般选取电流密度在4~6.5A/mm28A/mm210/mm2。电流密度选择高，导线的截面积小，一样窗口绕更多的导线，且是导线电阻大，铜损也大。当计算得到的线径大于穿透深度打算的最大线径时，可以承受多股导线并绕或者承受铜带，使厚度小于两倍穿透深度。设计举例115V/400Hz和220V/50Hz50kVA，电感电流连续，电感大小为180μH每相两个电感分别在半个周期里轮番工作，流过电感的满载电流为122A250A，最大25kHz，具体设计过程如下。磁芯材料选择由于功率管的最大开关频率到达25kHz，这个频率对于硅钢带来说太高，不适合选择，感个数为6个，假设选用非晶态合金本钱太高，所以最终还是选择铁氧体LP3，其工作频率100kHz100℃时的饱和磁感应强度为O.38T，价格相对低廉。磁芯外形依据前面介绍的磁芯外形可知，在大功率条件下，E型和UU型、UT型磁芯都比较适合选择，为了减小漏感，我们选用了EE型铁芯。磁芯尺寸由于电感功率很大，假设依据阅历公式，算出的Ap=ll511cm2，明显不符合实际，所以由康达磁芯公司生产的EEl851所示，把两副拼在一起组成一个磁芯，单个2所示。匝数计算气隙大小计算由能量守恒，可得确定导体尺寸设铜皮工作时的温度为80℃，则2×O.47=0.94mm。3A/mm2，122A40.67mm2，选择导体厚度为0.5mm90mm。7.7验证验证磁芯在电流最大时是否饱和。可知：电流到达250A时不饱和。依据上面的设计做出一个电感，得到的感值为366μH，假设要使电感为180μH，实际气隙δ’=48mm，明显不适宜，所以要在前面设计的根底上进展调整，鉴于电感值偏大，由式(5)可知，在气隙和磁芯大小不变时，感值和匝数的平方成正比。所以我们保持理论计算出的气隙不变，减小匝数，就可以减小感值，而且由式(4)，减小匝数磁芯确定不会饱和，我4l匝时电感大小与气隙大小的关系，如表3所列，这样可以算出调整后的匝数，即调整后(29匝)17mm180μH。结语磁芯元件的设计很简单，要直接得到唯一的答案是很困难的，由于要涉及到很多因素，设计时应当依据理论分析和实践来逐步完善设计，最终得到一个符合工作要求的电感。.1.1.3硅钢〔铁硅合金〕具有稳定性好、环境适应性好和磁通密度高等特点，是电力和电子工业中用途最广、用量最大的一种软磁材料。硅钢是立方晶系的多晶体金属合金，硅钢片的性能受硅含量、杂质〔C、、Mn、P〕、晶粒取向、应力、晶粒尺寸、钢片厚度、钢片外表质量等七个因数的影响，提高硅钢片性能有三条主要措施：转变晶粒构造、调整硅含量和削减带材厚度。硅钢片又称电工钢板，按其制造工2%-4.5%〕、冷轧无取向硅钢〔0.5%-3%〕和冷轧取向硅钢〔3%〕。806.5%〔磁滞伸缩在该成分下趋近于零〕的无取向带材，可进一步降低噪声。中磁场下有很高的磁导率和微小的矫顽力，加工性能好，有较好的防锈性能；经过特定的加工，可获得很好的磁性能，如超过十万的起始磁导率、超过百万的最大磁导率，小于2mOe的矫顽力、接近1的矩形比系数、在相当宽的磁场范围内保持恒导磁率等。由于含有镊、钴等贵重元素，此类合金价格高，带材越薄、价格越昂贵。非晶态合金与超微晶合金的特性80％左右，具有高的饱和磁感应强度和低的铁损、低的价格。各种软磁材料的性能比照1类别名称材料主要成分导磁率类别名称材料主要成分导磁率最高工作Bs(mT)温度℃最高使用频率f(kHz)特点说明硅钢片非晶态合性材料金金合、超微晶材料材料只能在30kHz以下的频率应用。于中低频滤波电感。Si-Fe～18002023～300～10Ni-Fe～100000750～150～30Fe(Co,Ni)～1000001500～150～500Fe～800001500～150～100磁粉铁粉芯铁硅铝粉Fe3～100～1400～150～500芯芯Al,Si,Fe26～125～1050～200～1000非晶态和超非晶态和超铁硅铝粉 高磁通粉钼坡莫合金Ni,Fe14～160～1400～200～1000Mo,Ni,Mo14～550～800～200～1000高磁通粉芯高磁通粉芯金粉芯材料体Mn,Zn,Fe,O1000～18000510～125～1000〔1〕使用频率范围磁导率〔起始磁导率、振幅磁导率、增量磁导率〕饱和磁感应强度剩余磁感应强度材料损耗温度系数电阻率磁滞伸缩系数居里温度使用温度范围表2给出了各种软磁材料的物理性能和价格比较，在软磁材料选用可参考。特性硅钢片坡莫合金铁粉芯铁氧体微晶芯芯粉芯铁损低高中高低低低低磁导率高低高低低低低中Bs高高中高高高中低温度影响中小小小小小小中加工难易易难难难难易价格中低高低中高高低2磁导率磁导率magnetic permeability表征磁介质磁性的物理量。常用符号 μ表示，μ为介质的磁导率，或称确定磁导率。μ等于磁介质中磁感应强度BH磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比，即μ