电感设计包含磁导率的计算文档格式.docx
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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,漏磁及线圈层数少,高频交流电阻小。
开放式的窗口没有出线问题,线圈与外界空气接触面大,有利于空气流通,散热方便,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型相同矩形截面积时,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PM磁芯比罐型有更大的出线窗口和好的散热条件,所以,可以传送更大的功率。
RM磁芯有两种结构,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节电感量,调节范围可以到达30%。
但在功率磁芯中不采用,因为磁棒损耗大。
PQ型具有最佳的体积与辐射表面和线圈窗口面积比。
因磁芯损耗正比于磁芯体积,而散热能力正比于辐射表面,该形状磁芯在给定输出功率下面有最小的温升,因此,在给定输出功率下体积最小。
LP、EFD、EPC型磁芯主要为平面变压器设计的。
中柱长,漏感最小。
但是,囚为体积小,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扩散都很小,但是大功率绕线困难。
3磁芯尺寸
在磁芯材料和磁芯形状确定了以后,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。
3.1损耗不严重
当损耗不严重,经验公式如式
(1)所列。
式中:
AW为窗口面积;
Ae为磁芯截面积;
IF1为满载电流有效值;
Ip为最大峰值电流;
Bmax为磁芯的饱和磁感应强度。
3.2损耗严重
损耗严重时,经验公式如式
(2)所列。
△Rmax为最大磁通密度摆幅;
K1及K2系数的取值如表l所列。
这种方法计算出来的尺寸不是很准确,但是可以减少迭代的次数。
在大功率条件下,上面公式不建议采用,应根据经验选择磁芯尺寸,然后根据磁芯尺寸算出匝数、气隙等各种参数,最后再校验设计的合理性。
4线圈匝数的计算
由安培环路定律,可得
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。
5气隙估算
高磁导率磁芯材料只能储存很少的能量,而电感是一个储能装置,为了有效地储存能量和把能量返回到电路中去,由气隙储能的关系,可得
可知,在磁芯不饱和的情况下,磁导率不能太高,也不能太小,因此,可以在高磁导率的磁芯中串联一个非磁气隙,用来调整有效磁导率。
加了非磁气隙之后,由于气隙的磁导率远远低于磁芯的磁导率,因此,大部分能量就储存在气隙当中,这样我们就可以根据能量守恒近似地估算出气隙的大小,具体公式如式(8)所列。
把L、Ip、μo、Bmax代入式(8)求出V,然后根据磁芯所开气隙的截面积就可以近似地算出气隙大小。
6计算导体尺寸
6.1集肤效应
导线通过交变电流时会产生集肤效应,即导线横截面的电流分布不均匀,内部电流密度小,表面电流密度大,使导线的有效截面积减少,其有效截面积的减少可以用穿透深度△来表示,△的意义如下,从表面到电流密度下降到表面电流密度的O.368的厚度为穿透深度△,即认为表面下降深度为△的厚度导体流过导线的全部电流,而在△层以内的导体完全不流过电流,△与频率ω和导线物理性能的关系为
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。
6.2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/mm2;
在模块电源中,磁器件有良好的散热条件,一般电流密度到达8A/mm2,甚至可以到达10/mm2。
电流密度选择高,导线的截面积小,相同窗口绕更多的导线,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决定的最大线径时,可以采用多股导线并绕或者采用铜带,使厚度小于两倍穿透深度。
7设计举例
本人设计了一个双降压式半桥逆变器的滤波电感,逆变器输出115V/400Hz和220V/50Hz的三相交流电,输出最大功率为50kVA,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流工作,流过电感的满载电流为122A,最大电流为250A,最大开关频率25kHz,具体设计过程如下。
7.1磁芯材料选择
由于功率管的最大开关频率达到25kHz,这个频率对于硅钢带来说太高,不适合选择,而铁氧体和非晶态合金都比较适合,但考虑到功率太大,磁芯体积会比较大,而且需要的电感个数为6个,如果选用非晶态合金成本太高,所以最终还是选择铁氧体LP3,其工作频率在100kHz以上,在100℃时的饱和磁感应强度为O.38T,价格相对低廉。
7.2磁芯形状
根据前面介绍的磁芯形状可知,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。
7.3磁芯尺寸
由于电感功率很大,如果根据经验公式,算出的Ap=ll511cm2,显然不符合实际,所以不能按照经验公式来指导磁芯尺寸的选择,只能按照设计经验来选择磁芯尺寸。
我们选择了由新康达磁芯公司生产的EEl85磁芯,如图1所示,把两副拼在一起组成一个磁芯,单个磁芯具体尺寸如表2所示。
7.4匝数计算
7.5气隙大小计算
由能量守恒,可得
7.6确定导体尺寸
设铜皮工作时的温度为80℃,则
所以选择铜皮厚度小于两倍穿透深度2×
O.47=0.94mm。
选择电流密度3A/mm2,122A满载电流需要导体截面积40.67mm2,选择导体厚度为0.5mm,宽度取90mm。
7.7验证
验证磁芯在电流最大时是否饱和。
可知:
电流达到250A时不饱和。
按照上面的设计做出一个电感,得到的感值为366μH,如果要使电感为180μH,实际气隙δ’=48mm,显然不合适,所以要在前面设计的基础上进行调整,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),减小匝数磁芯肯定不会饱和,我们测出了匝数为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(匝数为29匝)实际测量出气隙为17mm,感值为180μH。
8
结语
磁芯元件的设计很复杂,要直接得到唯一的答案是很困难的,因为要涉及到很多因素,设计时应该根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硅钢与铁镍合金的特性
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、O、S、Mn、P等)、晶粒取向、应力、晶粒尺寸、钢片厚度、钢片表面质量等七个因数的影响,提高硅钢片性能有三条主要措施:
改变晶粒结构、调整硅含量和减少带材厚度。
硅钢片又称电工钢板,按其制造工艺可分为热轧电工钢(含硅2%-4.5%)、冷轧无取向硅钢(含硅0.5%-3%)和冷轧取向硅钢(含硅约3%)。
80年代末,已可以批量生产含硅量为6.5%(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。
铁镍合金又称坡莫(Permalloy),含镍量在30%-90%范围内,主要形状为带材,主要特点是在弱、中磁场下有很高的磁导率和极小的矫顽力,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。
5.1.1.4非晶态合金与超微晶合金的特性
非晶态合金是一种新型软磁材料,在晶态材料中原子在空间作周期性的有序排列,形成所谓晶体点阵结构,而在非晶态材料中原子在空间的排列无序,不存在宏观的磁各向异性。
非晶态材料具有优异的磁性和韧性,具有高的电阻率和机电耦合系数,具有耐腐蚀、耐磨、高强度、高硬度的良好的材料特性。
非晶态合金是以铁、镍、钴为基材制作的合金。
铁基非晶态合金铁含量在80%左右,具有高的饱和磁感应强度和低的铁损、低的价格。
5.1.1.5各种软磁材料的性能对比
各种软磁材料的特性参数不同,应用环境也不一样,表1给出了各种软磁材料的性能比较。
表1各种软磁材料的性能比较
类别
名称
材料主要成分
导磁率
Bs(mT)
最高工作温度℃
最高使用频率f(kHz)
特点说明
金属磁性材料
硅钢片
Si-Fe
~1800
2000
~300
~10
由于电阻率低,涡流损耗大,除非晶态合金合、超微晶材料外,其它的金属磁性材料只能在30kHz以下的频率应用。
铁镍合金
Ni-Fe
~100000
750
~150
~30
非晶态合金
Fe(Co,Ni)
1500
~500
超微晶
Fe
~80000
~100
磁
粉
芯
铁粉芯
3~100
~1400
导磁率低,主要应用于中低频滤波电感。
铁硅铝粉芯
Al,Si,Fe
26~125
~1050
~200
~1000
高磁通粉芯
Ni,Fe
14~160
钼坡莫合金粉芯
Mo,Ni,Mo
14~550
~800
铁氧体材料
锰锌铁氧体
Mn,Zn,Fe,O
1000~18000
510
~125
5.1.2软磁材料的选用原则选用软磁材料时主要综合考虑以下因素:
(1)使用频率范围
(2)磁导率(起始磁导率、振幅磁导率、增量磁导率)
(3)饱和磁感应强度
(4)剩余磁感应强度
(5)材料损耗
(6)温度系数
(7)电阻率
(8)磁滞伸缩系数
(9)居里温度
(10)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
非晶态和超微晶
坡莫合金
铁氧体
铁损
低
高
中
磁导率
Bs
温度影响
小
加工
难
易
价格
表2各种软磁材料的物理性能和价格比较
补充:
磁导率知识
磁导率
磁导率
magneticpermeability
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,或称绝对磁导率。
μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比,即通常使用的是磁介质的相对磁导率μr,其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比,即
μ=B/H
相对磁导率μ与磁化率χ的关系是
磁导率μ,相对磁导率μr和磁化率xm都是描述磁介质磁性的物理量。
对于顺磁质μr>1;
对于抗磁质μr<1,但两者的μr都与1相差无几。
在铁磁质中,B与H的关系是非线性的磁滞回线,μr不是常量,与H有关,其数值远大于1。
在国际单位制(SI)中,相对磁导率μr是无量纲的纯数,磁导率μ的单位是亨利/米(H/m)。
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- 电感 设计 包含 磁导率 计算