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(shè)計(jì)磁性元件時(shí)，鐵芯飽和是一個(gè)主要問題。大多數(shù)應(yīng)用都試圖避免這種情況。正如我們?cè)谇耙黄恼轮杏懻摰哪菢樱ㄟ^減少電感器的匝數(shù)，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(dāng)?shù)南禂?shù)增加匝數(shù)。這種方法允許我們控制電感和飽和電流參數(shù)。添加氣隙也會(huì)增加電感器的儲(chǔ)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(xì)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(dāng)天線。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(yùn)行的電磁信號(hào)。

另一方面，磁芯的高磁導(dǎo)率使其能夠?qū)⒋艌?chǎng)集中在預(yù)定的空間區(qū)域。這使我們能夠增加繞組之間的磁耦合。通過這種方式，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。這些可分為兩種類型：閉環(huán)和開環(huán)。

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

圖1。左側(cè)和中央：閉環(huán)磁芯。右圖：開環(huán)磁芯。

圖1左側(cè)和中心的磁路是閉合的，導(dǎo)致磁通量大部分被限制在鐵芯內(nèi)。然而，當(dāng)我們檢查最右側(cè)的棒芯時(shí)，場(chǎng)線會(huì)關(guān)閉它們穿過周圍空氣的路徑。因此，鐵芯形成了一個(gè)開放的磁路。在電感器中，通常選擇環(huán)形或其他類型的閉環(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?qū)崿F(xiàn)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。

高度非線性的B-H曲線。

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(gòu)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。

空氣是一種線性材料，不表現(xiàn)出磁滯現(xiàn)象。因此，氣隙提高了線性度并減少了磁滯效應(yīng)。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。

盡管看起來有點(diǎn)違反直覺，但有間隙的核心也可以在氣隙中儲(chǔ)存相對(duì)更多的能量。這種儲(chǔ)能能力在電源設(shè)計(jì)應(yīng)用中非常有用，在這些應(yīng)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(shù)。假設(shè)：

巖心具有相對(duì)滲透率μc和平均長度lc。

該間隙的相對(duì)滲透率為1，長度為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(shù)

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

從圖3中的電路模型中，我們可以得出：

方程式3。

該方程將通過鐵芯的通量（Φ）與施加的磁動(dòng)勢(shì)聯(lián)系起來。

帶間隙巖心的有效滲透率

如果巖心的滲透率遠(yuǎn)大于單位（μc?1），則間隙巖心的有效相對(duì)滲透率為：

方程式4。

解釋：

lc是芯的平均長度

lg是間隙長度。

例如，當(dāng)lc=100lg時(shí)，間隙芯的有效相對(duì)滲透率為100。這里的重要結(jié)論是，只要μc?1，間隙就會(huì)主導(dǎo)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(duì)磁導(dǎo)率，因此添加間隙也會(huì)降低結(jié)構(gòu)的電感也就不足為奇了。另一種達(dá)到相同結(jié)果的方法是應(yīng)用電感的定義。我們知道電感的定義為：

方程式5。

通過結(jié)合方程式3和5，我們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了這種明顯的下降，但間隙芯提供了三個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：

它們降低了對(duì)材料滲透性的敏感性。

它們?cè)黾恿孙柡碗娏鳌?/p>

它們?cè)黾恿藘?chǔ)存的能量。

讓我們逐一探討這些優(yōu)勢(shì)。

氣隙降低了對(duì)材料滲透性的敏感性

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

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

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(diào)整間隙長度，以建立對(duì)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。

有氣隙和沒有氣隙的磁芯的B-H曲線。

圖4。有間隙芯和無間隙芯的B-H比較。

如上圖所示，引入氣隙可以減小曲線的斜率，或者等效地減小電感，但也會(huì)產(chǎn)生更線性的響應(yīng)。回想一下，只要巖心的相對(duì)滲透率遠(yuǎn)大于1（μc?1），間隙就會(huì)主導(dǎo)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(qiáng)（或相應(yīng)的飽和電流）。沒有間隙，通量所經(jīng)歷的不情愿很小。因此，相對(duì)較小的電流會(huì)使鐵芯飽和。

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

根據(jù)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(chǔ)存的能量

我們知道磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量。磁場(chǎng)中每單位體積儲(chǔ)存的能量（wm）是磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）在通量密度變化范圍內(nèi)的積分：

方程式10。

這與我們?cè)诒鞠盗形恼虑懊娣治龃艤p耗時(shí)得出的方程相同。

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

圖5比較了有間隙堆芯和無間隙堆芯可以儲(chǔ)存的能量。綠色陰影區(qū)域（A1）對(duì)應(yīng)于無蓋堆芯的功率密度。藍(lán)色陰影區(qū)域（A2）顯示了間隙芯的功率密度。

比較有氣隙和沒有氣隙的磁芯的儲(chǔ)能能力。

圖5。綠色和藍(lán)色陰影區(qū)域分別顯示了無蓋芯和有間隙芯的功率密度。

A1和A2的快速視覺比較清楚地表明，有間隙的核心可以比無間隙的核心儲(chǔ)存更多的能量。如果我們?cè)黾娱g隙的長度，B-H曲線的斜率將進(jìn)一步減小，從而產(chǎn)生更大的儲(chǔ)能能力。間隙電感器中的大部分能量實(shí)際上存儲(chǔ)在氣隙中。

選擇間隙長度和匝數(shù)

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

假設(shè)間隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯的間隙磁阻，方程式6和8簡化為：

方程式11。

以及：

方程式12。

增加n的值會(huì)導(dǎo)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(dāng)n增加時(shí)，電感的增長速度比磁通密度快。

如果我們?cè)黾?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(shè)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(yīng)用中，我們使用變壓器將交流信號(hào)從電源傳輸?shù)截?fù)載。在這種情況下，我們通常使用無映射內(nèi)核。添加氣隙會(huì)降低任何給定形狀因子的可實(shí)現(xiàn)電感，并導(dǎo)致變壓器不太理想。

其他變壓器，如點(diǎn)火線圈和反激式變壓器，用于儲(chǔ)存能量，然后將其傳輸?shù)酱渭?jí)繞組。這些應(yīng)用可能會(huì)使用間隙鐵芯，因?yàn)樗鼈兛梢源鎯?chǔ)更多的能量并顯著減少磁滯損耗。

例如，在典型的汽油動(dòng)力汽車中使用的點(diǎn)火線圈具有約250匝的初級(jí)線圈和約25000匝的次級(jí)線圈。初級(jí)電池與汽車電池相連，通過產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)來儲(chǔ)存能量。要點(diǎn)燃火花塞，需要切斷初級(jí)線圈電流。這使得磁場(chǎng)崩潰，在次級(jí)線圈中感應(yīng)出高壓電動(dòng)勢(shì)。

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