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1、10-7 (H/m)，贝U得到相对初始磁导率，它可以表示为:1）除以真空磁导率卩0 （卩0=4 n X电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算摘要：本文首先介绍了磁性材料的特性， 然后根据它的特性，讨论电子镇流器中电感线圈参数的选择 与计算方法，包括选用磁芯尺寸、气隙大小、线圈圈数和漆包线线径等。关键词：锰锌铁氧体 初始磁导率 磁通密度饱和磁通密度 功率损耗居里温度气隙考虑到一些工程技术人员对磁性材料及所涉及的计算公式不够熟悉，为便于展开讨论，本文从基础知识讲起，首先介绍在电子镇流器中常用的锰锌铁氧体磁性材料的一般特性和磁路的基本计算公式，然后，在此基础上，再讨论电感线圈计算中有关问题， 包括磁芯
2、尺寸、气隙大小、磁芯中的磁感应强度、 磁芯损耗以及线圈的圈数和线径的计算等。这些内容对于从事电子镇流器设计的人员无疑是很有用 的。锰锌铁氧体磁性材料的一般特性表征磁性材料的磁性参数有以下数种:1. 初始磁导率卩i初始磁导率是基本磁化曲线上起始点的磁感应强度 B与磁场强度H之比。任何一种磁性材料的初始磁 导率可以按以下方法求得：用该材料做成截面积为 A（cm2）的圆环，平均直径为D（cm）,在圆环上均 匀分布绕线N匝，在LCR电桥（例如TH2811C数字LCR电桥）上，测出其电感为L （ H，则可按下 述计算公式求出其磁导率N2 AIf Ae式中，Le、Ae分别代表磁芯磁路的有效长度及有效面积，
3、如式（(2)式（1）、（ 2）中，L的单位为亨（H）， D有效长度Le的单位为cm, A、有效面积Ae的单位为cm2。如D A分别换用mm mm2为单位，则式（2）中最后一项应换成1010。公式（2）由于除以卩0， 所以是无量纲的，一般在磁性材料的工厂手册中给出的初始磁导率，就是按式（2）求得的。例1有一个R5K材料磁环，其尺寸为外径12mm内径6mm厚4mm试计算其相对初始磁导率解：在磁环上绕4匝线圈，测出其电感（用TH2811C数字LCR电桥在10kHz条件下测量电感）为53. 1 si H。直接查厂家提供的数据表，查得磁环的有效磁路长度Le=26.1mm有效截面积为11.3mm2如没有这
4、些数据，作为粗略估算，其有效磁路长度可按外径和内径的平均值计算出圆环的周长来代替， 即Le=n （12+6）/2=9 n mm=28.2mm有效截面积并非等于由磁环厚度与其外径、内径之差的乘积计算 出的实际面积，而应考虑磁场强度（或磁通密度）沿半径方向内强外弱的线性变化，磁通并非均匀分布，故实际面积应除以2,才是其有效面积。按这样方法求得的值为12mm2与手册表中所给数据差不多，代入式（2）得：53.1-IO 6-匹4tt -1626.1H3-io3 =5096根据以上计算，上述材料应为 R5K材料。目前工厂使用的测量磁导率的仪器，如磁环参数分选仪UI9 700，仪表指示的不是相对初始磁导率的
5、绝对值，而是它的相对大小。磁性材料的初始磁导率ii不是固定的，它随温度的变化而变化，如图 1所示。图中给出的是金宁公 司的磁性材料JP4A（相当于TDK的 PC40的初始磁导率随温度变化的曲线。7000rKJP4A/ 1/7/i600050002000100050100150200250温度叱图1 （相对）初始磁导率随温度之变化2.有效磁导率 e i （Effective permeability）在闭合磁路中，用有效磁导率 ie来表示磁心的导磁性能:式中，L为装有磁心的线圈的电感量（亨利，H）, N为线圈的匝数，le为磁芯的有效磁路长度（mm）Ae为磁芯的有效截面积（mm2）卩0为真空磁导率
6、（4 n x 10-7H/m）显然这里卩e是相对于真空磁导率的比值，也是无量纲的。如果在闭合磁路中，磁芯各段截面积不同，此时磁芯的有效磁导率为式中L为装有磁芯线圈的自感量（亨），N为线圈匝数,Li为具有均匀截面积第i部分的磁路长度（mmAi为该部分的截面积（mm2对于一个中心开有气隙长度为lg的E形磁芯，如忽略磁芯本身的磁阻，认为磁场强度全部降落在气隙上，则有效磁路长度即等于lg，式（4）最后一项可去掉工符号，简单地写作Ig/Ae，如此，式（4） 将变为出=-?r io10 4兀册Ae因为空气隙的相对有效磁导率 卩e为1。以卩e=1，带入上式，由此可得气隙lg的表达式为：lg=4 n ?10-
7、10N?Ae/L （5）式中，lg以mm为单位，Ae以mm2为单位，L以亨为单位。在国外某些公司发表的技术资料中采用 式（5）作为初步估算气隙长度的依据。但如果计算出来的气隙不够大，则磁芯部分不能忽略不计， 这个数值是不够准确的。3. 电感因数(Inductanee Factor)电感因数是指磁芯的单匝电感量。一个装有磁心的电感，绕有N匝线圈，其电感值为L,则磁芯的单匝电感量即电感因数 AL，可按下式求得：AL= L/N2 或 L=N2?AL （6）9AL单位为nHT匝（有的资料省去分母不写， 简写为nH）。一般取N=10Q测得电感量L后，按式（6） 计算出AL值，厂家在其产品手册会给出未磨气
8、隙的每种规格磁芯的AL值以及有效磁路长度、有效截面积、有效体积等，例如 PC30材料EEI3的AL值为1000nH EE16A勺AL值为1100nH EE25A勺AL 值为1900nH由于磁性材料参数的零散性，这个数值并不很准确，有+/- （1525） %勺误差。我们使用时，一般都磨气隙，由于有气隙存在，AL值虽然变小了，但是电感因子却相对稳定了，零散性也小了。为求得磨气隙后磁芯的 AL值，我们可以在相应骨架上先绕 100匝，装上磁心，测得其电感值 L，根据式（6），即可算出开气隙后磁心的 AL值。例如EE25A中心磨气隙1.6mm后，其AL值降为5 9.6 nH 。已知某种型号磁芯的AL值，
9、要求绕制的磁芯线圈的电感量为 L,可求得所需绕的线圈的匝数 N电感量和圈数的平方成正比，圈数变化 1%电感量大约变化2%在绕制电感时，如只在小范围内改 变电感量时，可按此原则调整、估算圈数。例2已知EE16（中心磨气隙0.8mm的AL值为46.8 nH/匝2,为绕制2.8mH的电感，应绕多少匝数 N?解：根据式（7），代入L及值，得例3已知某电感采用EE16磁芯，所绕匝数N1为305、电感量L1为4.5mH今欲绕制的电感为L2=3.4mH试求出应绕的匝数N2解：由公式（7）知两式相除，得代入相应值= 305所以，已知磁芯的AL值，对于确定电感所应绕的匝数是很有用的4. 饱和磁通密度（Satur
10、ation magnetic flux density）饱和磁通密度是一个很重要的参数，对镇流器是否能可靠地工作关系很大。如所熟知，当电流（或磁 场）增加到某一数值后，磁芯就会饱和，磁通密度不再增加，如图2的曲线所表示的那样。此时，磁导率很低，该磁通密度称为饱和磁通密度，以Bs表示之。Bs不是固定的，随温度的升高而下降，在80100 C下，比室温下低得很多。由图2可以查出，在节能灯中常用的 PC30 PC40材料在25C时, Bs=510mT而在100C时，Bs只有390 mT，下降了 20多。应该指出的是，磁芯工作时允许的磁感应 强度要比上述的390 mT低得多，一方面因为在100C时接近3
11、00 mT附近磁芯的磁导率已开始降低， 另一方面，如工作时磁芯的磁感应强度较大，则磁芯损耗亦较大（见图4）。所以在工程计算中均取B为200230mT乍为磁芯工作时允许的最大磁感应强度值，远离磁饱和。020000 SOO 8001000 1200磁场强JI图2饱和磁通密度随温度变化曲线在一体化节能灯或电子镇流器中所用磁性材料，如果由于工作温度升高，则其磁芯的 Bs值下降，造成磁导率及电感量减少，流过电感的电流上升，在电流的峰值附近出现很大的尖峰，如图 3所示。这种情形是很危险的，它会导致电感量进一步减少及电流进一步加大，最终使电感失磁， L=0，三极管因电流过大、管子结温过高而损坏图3电感饱和后
12、电感线圈中的电流波形5. 磁性材料的功率损耗（Power loss of magnetic material）磁性材料的功率损耗是一个很重要的参数，它反映磁芯工作时发热的程度，损耗大，发热就厉害。带 有磁芯的线圈，其功率损耗包括线圈电阻的功率损耗（俗称铜耗）和磁芯材料的功率损耗（俗称铁耗） 磁芯材料的功率损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分。大家知道，磁芯中磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，并呈现出封闭的磁滞回线形状，磁 滞损耗的大小与磁滞回线所包围的面积呈正比。也与频率成正比。涡流损耗则是由于交变磁通穿过磁芯截面时，在与磁力线相垂直的截面内环绕交变磁通会产生涡流, 涡流亦产生功
13、率损耗。它与磁通变化的频率，磁性材料的电阻大小有关。一般磁芯材料的电阻愈大、 工作频率愈低，涡流损耗愈小；反之亦然。上述损耗与频率及其工作时的磁感应强度有关，工作频率愈高、磁感应强度愈大，则其损耗亦愈大。图4给出了磁性材料JP4A（PC40在不同的磁感应强度下损耗随频率变化的情况，随着频率增加，损 耗亦加大。例如在200mT 100oC的工作条件下，当频率由20kHZ变为40kHZ时，功率损耗密度由20 kW/m3（20卩W/mm）增加为50kW/m3（50卩W/mm），大约增加为原来的 2.5倍。可见，在同样的磁 感应强度下，磁心损耗随其工作频率的增加而增加。因此，提高镇流器的工作频率，则电
14、感损耗将加 大；反过来，降低镇流器的工作频率，将有利于减少镇流电感的功耗和发热。在某些大功率的镇流器 中，把频率调到2030kHZ附近，其目的即在于此。10310?1D1IOL10?10 =频率（kH Z ）101D1图4在不同的感磁应强度下损耗随频率的变化由图还知，在同一频率下，磁芯损耗随磁感应强度的增加而增加，例如在 40kHZ 100 C条件下，当 磁感应强度由150mT增加到200mT寸，功率损耗密度由50kW/m3增加为100kW/m3大约增加为原来 的2倍，如果磁感应强度为300mT寸，功率损耗密度将增加为250kW/m3大约增加为原来的5倍。可见，磁心损耗随其工作感磁感应强度的增
15、加而增加。同一种材料和尺寸的磁心，在保持电感不变时，增加气隙，能减少其磁感应强度（以后会讲到），对于降低功率损耗是有利的。或者，在同样的气隙 下，减少电感量，就会减少磁感应强度，也能降低磁芯的损耗。当然，如采用大一号的磁心，也会大 大降低磁心的磁感应强度和它的发热程度。不过，增加气隙，虽能减少磁芯损耗，但线圈的圈数要增 加，铜损会增大， 而且窗口的面积会容纳不下线圈。 所以，气隙的增加也是有限度的， 并非愈大愈好。 应对铜损和铁损两者综合加以考虑才对。例4已知某大功率电子镇流器所用电感为 PC40( JP4A材料、EE28磁芯，磁芯的磁感应强度为200mT EE28的有效体积Ve为5254mm3计算它在100 C的条件下，当频率为20kHZ和40kHZ时磁芯的 功率损耗，如磁感应强度增为 300mT再计算其损耗。解：磁芯的损耗P=PCX Ve,在图4中查出相应的单位体积的损耗 PC值当磁感应强度为 200mT时，在 20kHZ时，P=2
