了解帶間隙磁芯的電感器

在這篇文章中，我們探討了在電感器的磁芯中引入氣隙的優(yōu)點(diǎn)。

設計磁性元件時(shí)，鐵芯飽和是一個(gè)主要問(wèn)題。大多數應用都試圖避免這種情況。正如我們在前一篇文章中討論的那樣，通過(guò)減少電感器的匝數，可以將鐵芯的磁通密度限制在飽和水平以下。然而，這也降低了電感。

另一種更有用的技術(shù)是在鐵芯上添加氣隙，同時(shí)以適當的系數增加匝數。這種方法允許我們控制電感和飽和電流參數。添加氣隙也會(huì )增加電感器的儲能能力，使其不易受到鐵芯磁性變化的影響。

在本文中，我們將詳細討論這些優(yōu)點(diǎn)。然而，在我們深入探討之前，讓我們回答一個(gè)基本問(wèn)題：為什么電感器和變壓器使用磁芯？

空心電感器與磁芯電感器

空心電感器充當天線(xiàn)。它向附近的電路發(fā)射不需要的電磁輻射，并從環(huán)境中接收可能干擾電路運行的電磁信號。

另一方面，磁芯的高磁導率使其能夠將磁場(chǎng)集中在預定的空間區域。這使我們能夠增加繞組之間的磁耦合。通過(guò)這種方式，使用磁芯可以創(chuàng )建具有大電感的電感器和具有高耦合的變壓器。

圖1顯示了三種不同的磁芯幾何形狀。這些可分為兩種類(lèi)型：閉環(huán)和開(kāi)環(huán)。

從左到右：兩種不同的閉環(huán)磁芯幾何形狀和一個(gè)桿狀的開(kāi)環(huán)磁芯。

圖1。左側和中央：閉環(huán)磁芯。右圖：開(kāi)環(huán)磁芯。

圖1左側和中心的磁路是閉合的，導致磁通量大部分被限制在鐵芯內。然而，當我們檢查最右側的棒芯時(shí)，場(chǎng)線(xiàn)會(huì )關(guān)閉它們穿過(guò)周?chē)諝獾穆窂?。因此，鐵芯形成了一個(gè)開(kāi)放的磁路。在電感器中，通常選擇環(huán)形或其他類(lèi)型的閉環(huán)鐵芯，以最大化鐵芯中的磁場(chǎng)并限制漏到鐵芯外部的磁通量。

總之，磁芯能夠實(shí)現緊湊、高價(jià)值的電感器，并最大限度地減少電磁干擾，特別是在使用閉環(huán)磁芯的情況下。然而，盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，磁性材料有兩個(gè)主要的非理想性：

磁滯。

高度非線(xiàn)性的B-H曲線(xiàn)。

為了在鐵磁芯的優(yōu)缺點(diǎn)之間取得平衡，通常會(huì )在磁芯回路中添加氣隙。

什么是Gapped Core？

圖2顯示了使用具有氣隙的磁芯構建的電感器。

繞在有間隙的鐵芯上的電感器。

圖2:繞在鐵芯上并留有氣隙的電感器。

空氣是一種線(xiàn)性材料，不表現出磁滯現象。因此，氣隙提高了線(xiàn)性度并減少了磁滯效應。然而，正如我們稍后將討論的那樣，這些改進(jìn)是以降低整體電感為代價(jià)的。

盡管看起來(lái)有點(diǎn)違反直覺(jué)，但有間隙的核心也可以在氣隙中儲存相對更多的能量。這種儲能能力在電源設計應用中非常有用，在這些應用中，我們需要以最低的材料成本、尺寸和重量輸出大量電力。

間隙鐵芯分析

讓我們分析圖2中的間隙鐵芯，看看氣隙如何影響不同的電感器參數。假設：

巖心具有相對滲透率μc和平均長(cháng)度lc。

該間隙的相對滲透率為1，長(cháng)度為lg。

芯和氣隙的橫截面積（A）相等。

圖3顯示了這種間隙鐵芯的等效磁路。

圖3。間隙鐵芯的等效磁路。

在上述模型中：

n是電感器的匝數

i是電感器電流

?mc是不情愿的核心

?mg是氣隙的不情愿。

磁阻量化了磁路抵抗磁場(chǎng)流動(dòng)的程度，以At/Wb為單位進(jìn)行測量。鐵芯和氣隙磁阻可分別由方程式1和氣隙磁阻得出：

方程式1。

方程式2。

如上所述，假設芯和氣隙具有相等的橫截面積（A）。當lg與橫截面尺寸相比較小時(shí)，這是一個(gè)合理的假設。

從圖3中的電路模型中，我們可以得出：

方程式3。

該方程將通過(guò)鐵芯的通量（Φ）與施加的磁動(dòng)勢聯(lián)系起來(lái)。

帶間隙巖心的有效滲透率

如果巖心的滲透率遠大于單位（μc?1），則間隙巖心的有效相對滲透率為：

方程式4。

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lc是芯的平均長(cháng)度

lg是間隙長(cháng)度。

例如，當lc=100lg時(shí)，間隙芯的有效相對滲透率為100。這里的重要結論是，只要μc?1，間隙就會(huì )主導核心行為。

氣隙降低了電感

由于間隙降低了鐵芯的有效相對磁導率，因此添加間隙也會(huì )降低結構的電感也就不足為奇了。另一種達到相同結果的方法是應用電感的定義。我們知道電感的定義為：

方程式5。

通過(guò)結合方程式3和5，我們發(fā)現間隙鐵芯的電感為：

方程式6。

氣隙增加了總磁阻并降低了電感。盡管出現了這種明顯的下降，但間隙芯提供了三個(gè)重要優(yōu)勢：

它們降低了對材料滲透性的敏感性。

它們增加了飽和電流。

它們增加了儲存的能量。

讓我們逐一探討這些優(yōu)勢。

氣隙降低了對材料滲透性的敏感性

在沒(méi)有氣隙的情況下，電感與芯材料的磁導率成正比，磁導率隨溫度變化，是施加磁場(chǎng)強度的非線(xiàn)性函數。這使得精確控制電感變得困難。

現在考慮一個(gè)有缺口的核心。由于氣隙的磁阻遠大于芯材的磁阻，因此方程6可以改寫(xiě)為：

方程式7。

從上面可以看出，帶間隙鐵芯的電感主要取決于間隙特性（a和lg）。由于空氣的滲透率（μ0）是恒定的，因此可以調整間隙長(cháng)度，以建立對滲透率變化不太敏感的可控電感。

圖4比較了芯材和間隙芯的B-H曲線(xiàn)。

有氣隙和沒(méi)有氣隙的磁芯的B-H曲線(xiàn)。

圖4。有間隙芯和無(wú)間隙芯的B-H比較。

如上圖所示，引入氣隙可以減小曲線(xiàn)的斜率，或者等效地減小電感，但也會(huì )產(chǎn)生更線(xiàn)性的響應?；叵胍幌?，只要巖心的相對滲透率遠大于1（μc?1），間隙就會(huì )主導巖心行為。

氣隙增加了飽和電流

圖4清楚地表明，氣隙增加了飽和場(chǎng)強（或相應的飽和電流）。沒(méi)有間隙，通量所經(jīng)歷的不情愿很小。因此，相對較小的電流會(huì )使鐵芯飽和。

當在鐵芯中引入間隙時(shí)，有效磁阻增加。因此，需要更大的電流來(lái)使鐵芯飽和。讓我們計算電感器在不達到飽和的情況下可以處理的最大電流。

根據方程式3，間隙電感器的B值由下式給出：

方程式8。

其中Ac是芯的橫截面積。因此，飽和開(kāi)始時(shí)的電流為：

方程式9。

其中Bsat是飽和通量密度。氣隙增加了鐵芯的有效磁阻，從而增加了飽和電流。

氣隙增加了儲存的能量

我們知道磁場(chǎng)儲存能量。磁場(chǎng)中每單位體積儲存的能量（wm）是磁場(chǎng)強度（H）在通量密度變化范圍內的積分：

方程式10。

這與我們在本系列文章前面分析磁滯損耗時(shí)得出的方程相同。

圖4顯示，引入氣隙會(huì )降低B-H曲線(xiàn)的斜率。這擴大了B-H曲線(xiàn)左側的面積，表明電感器可以存儲更多的能量。

圖5比較了有間隙堆芯和無(wú)間隙堆芯可以?xún)Υ娴哪芰?。綠色陰影區域（A1）對應于無(wú)蓋堆芯的功率密度。藍色陰影區域（A2）顯示了間隙芯的功率密度。

比較有氣隙和沒(méi)有氣隙的磁芯的儲能能力。

圖5。綠色和藍色陰影區域分別顯示了無(wú)蓋芯和有間隙芯的功率密度。

A1和A2的快速視覺(jué)比較清楚地表明，有間隙的核心可以比無(wú)間隙的核心儲存更多的能量。如果我們增加間隙的長(cháng)度，B-H曲線(xiàn)的斜率將進(jìn)一步減小，從而產(chǎn)生更大的儲能能力。間隙電感器中的大部分能量實(shí)際上存儲在氣隙中。

選擇間隙長(cháng)度和匝數

我們看到氣隙增加了飽和電流，但降低了電感。為了補償氣隙引起的電感損失，我們可以增加線(xiàn)圈的匝數（n）。這增加了線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使電感恢復到所需值。

假設間隙磁阻遠大于鐵芯的間隙磁阻，方程式6和8簡(jiǎn)化為：

方程式11。

以及：

方程式12。

增加n的值會(huì )導致電感（L）和磁通密度（B）也增加。然而，L與n2成正比，B與n成正比。因此，當n增加時(shí)，電感的增長(cháng)速度比磁通密度快。

如果我們增加?mg和n，就有可能在不改變電感的情況下降低磁通密度。例如，假設k是一個(gè)大于1的任意值。如果我們將?mg增加k倍，將n增加k倍√k，則L保持不變，但B減少了√k

何時(shí)使用帶間隙鐵芯的變壓器

在許多應用中，我們使用變壓器將交流信號從電源傳輸到負載。在這種情況下，我們通常使用無(wú)映射內核。添加氣隙會(huì )降低任何給定形狀因子的可實(shí)現電感，并導致變壓器不太理想。

其他變壓器，如點(diǎn)火線(xiàn)圈和反激式變壓器，用于儲存能量，然后將其傳輸到次級繞組。這些應用可能會(huì )使用間隙鐵芯，因為它們可以存儲更多的能量并顯著(zhù)減少磁滯損耗。

例如，在典型的汽油動(dòng)力汽車(chē)中使用的點(diǎn)火線(xiàn)圈具有約250匝的初級線(xiàn)圈和約25000匝的次級線(xiàn)圈。初級電池與汽車(chē)電池相連，通過(guò)產(chǎn)生強磁場(chǎng)來(lái)儲存能量。要點(diǎn)燃火花塞，需要切斷初級線(xiàn)圈電流。這使得磁場(chǎng)崩潰，在次級線(xiàn)圈中感應出高壓電動(dòng)勢。

通過(guò)這種方式，磁場(chǎng)能量在次級線(xiàn)圈中變成強電流脈沖，從而點(diǎn)燃塞子并點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機氣缸中的燃料-空氣混合物。在點(diǎn)火線(xiàn)圈中使用間隙鐵芯有助于確保足夠的能量到達次級繞組。