鐵心電感

鐵心電感

鐵心電感器又稱為扼流圈、電抗器或電感器,在電子設備中套用極為廣泛,品種也很繁多。通常,鐵心電感器可分為電源濾波扼流圈、交流扼流圈(包括電感線圈)和飽和扼流圈三種,而以前兩種用量最多 。

鐵心電感器的種類

電源濾波扼流圈

電源濾波扼流圈用於平滑整流後的直流成分,減小其波紋電壓,以滿足電子設備對直流電源的要求。

電源濾波扼流圈的主要技術指標為: 電感量、直流電壓降。電感量由所要求的波紋係數,在進行整流器和濾波器計算時確定;直流電壓降影響整流器輸出電壓和負載調整率。

通過電源濾波扼流圈線圈的電流包括直流和交流兩部分,並以直流電流為主要成分。在扼流圈鐵心中存在著交直流兩種磁化場,其中直流分量是主要部分。

根據濾波器的種類,電源濾波扼流圈可分為電感輸入式和電容輸入式兩種。電感輸入式濾波扼流圈具有較高的波紋電壓,鐵心中交流磁感應強度一般在0.1T以上;電容輸入式濾波扼流圈具有較低的波紋電壓,鐵心中交流磁感應強度一般在0.1T以下。

電源濾波扼流圈的電感量隨著直流磁化電流的增加而降低,這是由於隨著直流磁化電 流的增大,鐵心越來越達到飽和狀態。在扼流圈鐵心磁路中引入非磁性間隙可以減小電感 隨直流磁化電流增大而產生的下降量,對應於給定的直流磁化電流,具有一個最佳的非磁性間隙,相應於這個最佳間隙,電源濾波扼流圈可獲得最大的電感值。

交流扼流圈

交流扼流圈用於交流迴路中,作為平衡、鎮流、限流和濾波等感性元件來使用。

交流扼流圈工作於交流狀態,無直流磁化,類似於單線圈變壓器。其電磁過程與變壓 器的區別是: 在變壓器鐵心中的磁感應強度的確定取決於外施電壓,與實際的負載電流無 關;對大多數交流扼流圈來說,鐵心中磁感應強度的確定取決於負載電流,而與電路的外施電壓無關。

交流扼流圈的電感量隨交流磁場的變化而變化,而且是非線性的,只有在鐵心未達到飽和時,變化才近似線性,這時,電感隨交流磁場的增大而增大。在交流扼流圈鐵心中插入非磁性間隙將減小其電感量,但電感隨磁場的變化量也同時減小,因此變化非磁性間隙 的大小可調節電感值。當鐵心中非磁性間隙增大至一定值時,在磁場變化時,電感將基本保持不變,這時的交流扼流圈將具有線性的伏安特性。大多數交流扼流圈都具有接近於線 性的伏安特性。

交流扼流圈的主要技術指標是,在某一交流電流 (固定的或有一定變化範圍的)作用 下的電感值。對某些工作於高頻的交流扼流圈,品質因數Q也是一個重要的技術指標。

電感線圈

電感線圈多數用於高頻電路中,如濾波器用電感線圈,振盪迴路電感線圈,陷波器線圈,高頻扼流圈,匹配線圈,噪聲濾波線圈等。多數電感線圈工作於交流狀態,因此,它 屬於交流扼流圈範疇,是交流扼流圈的一個分支。

電感線圈的鐵心以鐵氧體磁芯使用最多,也有採用鉬坡莫粉末磁芯,鐵粉芯,鋁矽鐵粉芯,非晶或超微晶粉末磁芯及精密軟磁合金等。

電感線圈的主要技術指標為電感量和品質因數。在某些場合,對電感的溫度穩定性也 有一定的要求。

飽和扼流圈

飽和扼流圈用於穩定和調壓線路中,通過調節電路中的感抗來達到穩定或調節電壓的 目的。飽和扼流圈至少有兩個繞組,一個繞組(工作繞組) 接入調節交流電路,另一個繞 組(控制繞組) 接入直流電路。和電源濾波扼流圈及交流扼流圈不同,飽和扼流圈鐵心應 是無氣隙的。

飽和扼流圈鐵心中存在著交直流兩種磁化狀態,而且交流成分很大,由於鐵心磁化曲 線的非線性,工作繞組中電流波形是失真的,這在接近鐵心飽和時特別明顯。

飽和扼流圈的主要技術指標是: 電感量調節範圍或輸出電壓調節範圍,負載功率的最 大值與最小值,控制電流(功率) 的最大值與最小值,功率因數最小值等。

由於可控矽調壓裝置、磁性調壓器、可調穩壓變壓器的技術發展,飽和扼流圈套用范 圍逐步縮小,只有在大功率或特殊要求場合才使用,為此,本手冊將不加詳述 。

鐵心電感器電感量計算

基本計算式

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

鐵心電感器線圈中通以交流電流後,所產生的磁通分為兩部分: 一部分是通過鐵心磁 路(包括在鐵心磁路中插入非磁性氣隙) 的主磁通,另一部分是通過線圈與鐵心柱間空隙 的漏磁通。根據電感的基本定義,我們將主磁通產生的電感稱為主電感 ,將漏磁通產生 的電感稱為漏電感 。鐵心電感器的電感量L1應為這兩部分電感之和,即

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

在多數情況下, ,故

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除特殊情況,一般只需計算其主電感。

鐵心中無氣隙時的電感計算

鐵心電感器鐵心中無氣隙時,其漏電感可忽略不計,電感量按下式計算

鐵心電感 鐵心電感

式中:L——電感量(H);

鐵心電感 鐵心電感

——鐵心交流磁導率;

N——線圈匝數;

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——鐵心有效截面積(cm );

鐵心電感 鐵心電感

——鐵心平均磁路長度 (cm)。

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感
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鐵心交流磁導率 隨鐵心材料、鐵心型式(尺寸)、工作磁感應強度 或磁場強度 及工作頻率f而變化。如圖1所示為鐵心材料採用1J79坡莫合金、厚0.2mm的XE5 鐵心在不同磁感應強度下的磁導率曲線。對一些電阻率很高的磁性材料,如鐵氧體磁芯, 其磁導率在其允許工作頻率範圍內不隨頻率而變,如圖2所示。而對於粉末磁芯,如 鉬坡莫合金、鋁矽鐵粉芯、羰基鐵心等,在其允許的工作頻率和磁場範圍內,其磁導率基 本是恆定的。

由此可見,正確地確定鐵心的磁導率是電感計算的基礎。

圖1 XE5型鐵心磁導率曲線 圖1 XE5型鐵心磁導率曲線
圖2 R2K鐵氧體EE型磁芯磁導率曲線 圖2 R2K鐵氧體EE型磁芯磁導率曲線
鐵心電感 鐵心電感

交流磁導率 可通過測試不同磁性材料和型式的鐵心在不同磁場強度 (或磁感應強度)、不同頻率下的電感量L後,按下式算得

鐵心電感 鐵心電感

鐵心中有氣隙時的電感計算

鐵心電感器中有氣隙時,當忽略其漏電感,其電感量按下式計算

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

式中: ——鐵心磁路中非磁性氣隙長度(cm)。式(3) 又可改寫為

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

式中: ——鐵心的有效磁導率,按下式計算

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

當 時,式 (3) 具有足夠的計算精度。

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當 時,由於氣隙磁通邊緣擴散現 象(見圖3),使氣隙的導磁面積增大,氣隙 的有效長度變短。為此必須計算氣隙邊緣磁通的影響。

圖3 氣隙磁通的擴散現象 圖3 氣隙磁通的擴散現象
鐵心電感 鐵心電感

考慮氣隙磁通擴散後,氣隙導磁面積 可按 下式近似計算

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氣隙的有效長度為

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式中: ——考慮氣隙磁通擴散後的氣隙有效長度(cm);

鐵心電感 鐵心電感

——鐵心磁路中實際的氣隙長度 (cm);

鐵心電感 鐵心電感

——鐵心有效截面積(cm2);

鐵心電感 鐵心電感

——考慮氣隙磁通擴散後氣隙導磁面積(cm )。

鐵心電感 鐵心電感
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此時,在按式(3)計算電感或按式(5)計算有效磁導率時,將 代替上述式中的 。

大氣隙電感計算

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當 時,由於氣隙磁阻決定了鐵心磁路中的整個磁阻,故電感量主要取決於 氣隙長度。

1. 當忽略漏電感時的電感計算

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

式中: ——考慮氣隙磁通擴散後的氣隙有效長度(cm)。

2. 考慮漏電感影響時的電感計算

鐵心電感 鐵心電感

當漏電感不能忽略時,必須按以下公式計算漏電感 。

(1) 殼式或單線圈心式鐵心電感器(見圖4) 漏電感按下式計算

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

式中: ——漏電感 (H);

N——電感器線圈匝數;

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——線圈繞線寬度 (cm);

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——洛氏係數;

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——線圈漏磁等效面積(cm )。

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洛氏係數 按下式計算

鐵心電感 鐵心電感
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式中: ——線圈總厚度(不包括內外層絕緣) (cm);

鐵心電感 鐵心電感

——線圈與鐵心之間隙(cm)。

鐵心電感 鐵心電感

線圈漏磁等效面積 按下式計算

鐵心電感 鐵心電感
鐵心電感 鐵心電感

式中: ——線圈平均匝長(cm)。

(2) 雙線圈式鐵心電感器(見圖5) 漏電感按下式計算

鐵心電感 鐵心電感
圖4 殼式和單線圈心式鐵心的漏感 圖4 殼式和單線圈心式鐵心的漏感
圖5 雙線圈心式鐵心的漏感 圖5 雙線圈心式鐵心的漏感
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式中, 與 的計算可按式(10)和式(11),但其中的 指每一個線圈的厚度 。

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鐵心電感器的主電感 按式(8)進行計算。

鐵心電感器的電感L為

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