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點。

設計磁性元件時，鐵芯飽和是一個主要問題。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是在鐵芯上添加氣隙，同時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點。然而，在我們深入探討之前，讓我們回答一個基本問題：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

空心電感器充當天線。它向附近的電路發射不需要的電磁輻射，并從環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。通過這種方式，使用磁芯可以創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：閉環和開環。

從左到右：兩種不同的閉環磁芯幾何形狀和一個桿狀的開環磁芯。

圖1。左側和中央：閉環磁芯。右圖：開環磁芯。

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，場線會關閉它們穿過周圍空氣的路徑。因此，鐵芯形成了一個開放的磁路。在電感器中，通常選擇環形或其他類型的閉環鐵芯，以最大化鐵芯中的磁場并限制漏到鐵芯外部的磁通量。

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

磁滯。

高度非線性的B-H曲線。

為了在鐵磁芯的優缺點之間取得平衡，通常會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。

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

盡管看起來有點違反直覺，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和平均長度lc。

該間隙的相對滲透率為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

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流動的程度，以At/Wb為單位進行測量。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，這是一個合理的假設。

從圖3中的電路模型中，我們可以得出：

方程式3。

該方程將通過鐵芯的通量（Φ）與施加的磁動勢聯系起來。

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。

解釋：

lc是芯的平均長度

lg是間隙長度。

例如，當lc=100lg時，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。

通過結合方程式3和5，我們發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重要優勢：

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勢。

氣隙降低了對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率成正比，磁導率隨溫度變化，是施加磁場強度的非線性函數。這使得精確控制電感變得困難。

現在考慮一個有缺口的核心。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。

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，但也會產生更線性的響應。回想一下，只要巖心的相對滲透率遠大于1（μc?1），間隙就會主導巖心行為。

氣隙增加了飽和電流

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

當在鐵芯中引入間隙時，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，飽和開始時的電流為：

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

我們知道磁場儲存能量。磁場中每單位體積儲存的能量（wm）是磁場強度（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得出的方程相同。

圖4顯示，引入氣隙會降低B-H曲線的斜率。這擴大了B-H曲線左側的面積，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間隙堆芯可以儲存的能量。綠色陰影區域（A1）對應于無蓋堆芯的功率密度。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存更多的能量。如果我們增加間隙的長度，B-H曲線的斜率將進一步減小，從而產生更大的儲能能力。間隙電感器中的大部分能量實際上存儲在氣隙中。

選擇間隙長度和匝數

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，我們可以增加線圈的匝數（n）。這增加了線圈產生的磁場，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簡化為：

方程式11。

以及：

方程式12。

增加n的值會導致電感（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，電感的增長速度比磁通密度快。

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，我們通常使用無映射內核。添加氣隙會降低任何給定形狀因子的可實現電感，并導致變壓器不太理想。

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

例如，在典型的汽油動力汽車中使用的點火線圈具有約250匝的初級線圈和約25000匝的次級線圈。初級電池與汽車電池相連，通過產生強磁場來儲存能量。要點燃火花塞，需要切斷初級線圈電流。這使得磁場崩潰，在次級線圈中感應出高壓電動勢。

通過這種方式，磁場能量在次級線圈中變成強電流脈沖，從而點燃塞子并點燃發動機氣缸中的燃料-空氣混合物。在點火線圈中使用間隙鐵芯有助于確保足夠的能量到達次級繞組。