磁芯設計 - 下載本文

芯形狀的合理性的指標,稱此為優值,顯然,愈小表示磁芯的形狀愈合理,每種形狀的磁芯都有它的最小值,這是設計磁芯所必須達到的要求。 最早使用的磁芯由金屬磁性材料組成,金屬磁性材料具有飽和磁感應強度高,居里溫度高等優點,作為低頻磁性器件應用的歷史已經很悠久,但由于金屬磁性材料的電阻率低,為了降低渦流損耗,就必須碾壓成薄帶,制成卷繞磁芯,這是一種磁路閉合的磁芯,如果薄帶的易磁化方向與帶的長度方向平行,可以得到很高的起始磁導率,此時,磁芯的有效磁導率等于,可以作為靈敏度很高的變壓器磁芯或微型電感器磁芯,如果需要較多的匝數,由于繞線麻煩,需要將這種磁芯割開成兩個形磁芯,然后與繞組一起,組裝成為低頻磁性器件。

工作頻率較高時,鐵氧體磁芯有許多優點,而且,可以根據需要,用各種形狀的模具,壓制加工成形狀不同的磁芯,就現在得到廣泛使用的磁芯來說,如果根據磁芯的形狀,即磁力線的路徑來分,可以大致分為兩大類型。 第一類為開路磁芯,這種磁芯的磁路是開路的,通過磁芯的磁感應強度同時要通過周圍空間才能形成閉合回路,有關開路磁芯的磁化狀態已在討論。 棒狀磁芯,條狀磁芯以及調節用磁性螺桿等都屬于開路磁芯,開路磁芯的有效磁導率決定于磁芯材料和磁芯尺寸比,其一般規律如圖所示。由于開路磁芯的各個截面上的磁感應強度不同,所以,當繞組位于磁芯的不同位置時,電感量是不同的,同時,繞組中每匝之間的距離對值和電感量亦有很大的影響。 開路磁芯除作為磁性天線,用來感應外界磁場以及作為調節單桿梁的磁性螺桿以外,對于屏蔽要求不高的場合,可以作寬頻帶變壓器的磁芯等用途。

第二類為閉合磁芯,這類磁芯的磁路是閉合的,或基本上是閉合的,磁感應強度在磁芯內形成閉合回路,最典型的閉合磁芯是環形磁芯,它的形狀簡單,漏磁通小,值高,通頻帶款、寬,而且,磁芯的有效磁導率的等于材料的磁導率,此外,還有雙孔磁芯,多孔磁芯以及管形磁芯等。

現在大量使用的閉合磁芯是組合型閉合磁芯,這些磁芯一般都要由兩個磁芯組合裝配后,才能形成閉合磁路,由于鐵氧體可以通過壓制成形,所以,可以制成形狀不同的鐵氧體磁芯,使用最早的是形磁芯,這是沿用硅鋼片的形狀,形磁芯由兩個相同的形磁芯組成,稱為雙形磁芯,少數是由一個磁芯和一個形磁芯組成,稱為磁芯。每個磁芯有三條“腿”,“腿”的截面通常為矩形,這種磁芯可以通過較大阿德磁感應強度,而且壓制工藝簡單,密度均勻,磁性均勻性好,但是,與中心“腿”的截面為圓形時的繞組相比,矩形截面繞組的直流電阻高,開關電源變壓器和其他大功率變壓器都采用中心“腿”截面為圓形的形磁芯,由于截面為圓形。壓制成形時,必須與腿的軸線平行,磁芯的密度不易均勻,從而引起磁性不均勻。 型磁芯適用于印刷電路,是由一個磁芯和一個磁芯組成,在磁芯的中心柱上饒有線圈。 型磁芯,是由兩只磁芯組成,或者是由一只磁芯,一只磁芯組成,為了便于裝配,磁芯的兩條“腿”均呈圓形,而且在腿的外側面開有固定槽。

在所有組合型閉合磁芯中,罐形磁芯的應用中最為廣泛,在電話交換機即其他通信設備中,大量使用罐形磁芯,因為這種磁芯的磁路結構合理,中心柱之間留有一定長度的氣隙,中心柱孔中設有可移動的柱形磁芯,可以按要求任意調整并固定,因此,可以得到良好而穩定的磁性,而且,由磁芯的外圓周提供了良好的屏蔽,這樣,裝入電路以后,可以消除相鄰元器件之間的電磁耦合,適用于電路的密集裝配。

罐形磁芯是由兩個形狀相同,尺寸相等的才組成,裝配時在端面接觸的磁阻要小,并且總是用彈性金屬卡箍與電路板固定。

為了簡化繞線工藝,提高繞線效率,改善散熱效果,提高工作穩定性,而且進一步與印刷電路匹配,磁芯的形狀還在繼續改進,它們的共同點特點是:

磁芯結構從閉合型趨向比較開放型,為繞組骨架提供較大的開口與位置,接插腳靠近線圈,

便于裝卸,導線在繞完之后,能直接固定,便于自動化生產。

由磁芯與繞組骨架組成的線圈的體積接近正方體,以便適應電路填充密度高的要求。

形磁芯又稱交叉磁芯,是由兩個相同的磁芯組成,其特點是在磁芯周圍有較大的缺口,便于繞組抽頭和散熱,而且,可以通過加寬接觸極面,提高磁芯的有效磁導率。 型號為的菱形磁芯,是國際電工委員會同意推廣的新型磁芯,這種磁芯是罐形磁芯的一種改進,它的特點是:適合于印刷電路板高密度裝配要求,可以先用繞線機自動繞線,且繞組引線直接焊牢在骨架上,便于與電路板實行插式聯結。

形磁芯,形磁芯,形磁芯,形磁芯罐形磁芯,環形磁芯,形磁芯以及雙孔磁芯的形狀如圖,上述介紹各類磁芯的形狀之后,下面介紹他們的特性。

由同一種材料所組成的磁芯,由于形狀不同,特性就不同,形狀愈復雜,磁芯的性能愈差,結構形狀對性能造成的影響,是多方面的,這些原因可能是:由于模具復雜形狀導致壓力不均勻,加壓后的材料密度不均勻,因而磁性能下降,復雜結構的磁芯受到的燒結溫度和氣氛不均勻的影響,因而磁性能不均勻,研磨加工對磁芯產生影響,裝配時產生的應力都要導致磁芯特性的下降。

前面介紹的曲線與燒結溫度和氣氛關系密切,如果磁芯的密度不均勻或各部分的燒結條件不同,則磁芯的不同位置就具有不同的曲線,因而對復雜結構的磁芯來說,在磁導率的溫度關系的控制方面比環形磁芯困難得多。

應力對曲線和磁性損耗有著強烈的影響,研磨材料時,研磨工序對材料的表面施加壓力,對材料的內部施加壓力,這種應力的大小決定于材料成分,磁芯形狀和研磨方法,有人曾對經過研磨后的鐵氧體中的剩余表面應力進行過測量,發現這種應力一般為,而且隨著離開表面的距離增加而下降,在離開表面約的深度處,剩余應力降低為零,由于材料表面附近的磁導率因應力存在會大大降低,所以損耗因子有所提高。

磁芯進行裝配時的接觸面必須十分平整和光潔,以便保證裝配后具有較低的穩定的接觸磁阻,此外,兩個磁芯中心柱的表面也要經過研磨,以便提供一個氣隙,經過這些加工后,磁芯的磁滯損耗和剩余損耗都會增加,磁滯的溫度因子也要發生變化,原則上講,可進一步通過拋光表面的方法來消除應力,但是由于拋光工效較低,導致器件成本提高,因而除特殊應用場合的電感器外,均不采用拋光工序。

使特性發生變化的原因還有裝配過程中的夾鉗或粘結,如果在鐵氧體表面涂上一層環氧樹脂,由于樹脂在固話過程中會引起應力,使磁導率明顯降低。 盡管以上種種因素均可引起磁特性下降,但這種下降量比由于材料的改進而獲得的磁性能的提高值小的多,因而在提高磁特性方面應更多地著眼于研發和改進磁性材料。下面介紹幾種鐵氧體材料的典型特性,表表示了鐵氧體的典型特性,表表示了鐵氧體的典型特,表表示了磁芯的有效參數和有效磁導率。

繞組的特性

在前面各節中,我們討論了磁芯的形狀及特性,接著討論繞組的結構和特性,因為作為磁性器件的設計者,不僅要根據使用場合,設計和選用磁芯,而且應當有能力為磁芯設計最合適的繞組,即正確地確定繞組結構,繞組的匝數,導線的種類和直徑,繞制方式以及安裝方法等等,磁性器件的特性為磁芯和繞組兩者的綜合特性,因此,對于繞組的設計,計算,制造和調整是磁性器件設計中的重要內容,本節將較系統地介紹磁性器件中繞組的設計和計算方法,并就繞組對器件特性的影響作概括性的介紹。 一.根據繞組的截面積確定線圈的匝數 繞組的面積是由磁芯的窗口面積確定的,當繞組面積確定后,就可以進一步確定繞組的匝數,該匝數不僅決定于采用的導線直徑,而且與以下系列因素有關。

線圈的繞制方式。每層線圈之間隔離用的介質膜的層數。繞制線圈過程中的張力狀態。每個繞組所包含的獨立線圈數目以及它們之間的聯系方式。

設計和計算線圈匝數時,使用到的幾何參數如圖所示,圖中的窗口面積為,通常用表示,繞組截面積為,用表示,分別為窗口的寬度和高度,分別表示為繞組的寬度和高度。 圖繪制出了繞組中的導體在理想排列時的橫截面形狀,其中為導體作正方形的排列方式,為六角形的排列方式,對于正方形的排列方式,若導體的直徑為,(包括絕緣層厚度匝內),且比空間尺寸小得多,當繞組面積為時的大的線圈匝數為:令繞組中銅導體的占空因子為,表示繞組中的銅導線的總面積與繞組的實際截面積的比值,其表達式為;對于理想的正方形排列,式中,為裸銅線的直徑,正方形的排列方式是一種相當密集的排列方式,另一種經常采用的排列方式為六角形排列,在匝數較多的情況下,其占空因子用下式表示。

實際上繞組中的導體,很難排列成如圖所示的理想結構,但是如果在線圈的繞制過程中,操作仔細,而且線圈層間不再安放絕緣介質膜,則在繞組中的大部分區域中,可得到六角形的排列方式。根據導體的占空因子定義,得到,式中,為繞組的匝數。

在實際應用中,常用到另一個重要參數,即銅導體的總占空因子,表示繞組中銅線的總面積與磁芯窗口的實際面積的比值,通常用下式表示,式中與圖中所表示的意義相同,為磁芯窗口面積。

因為大多數繞組都是手工繞制的,因而導體不可能獲得非常有規律的排列,對于實際得到的排列不整齊的繞組,若要較準確的求出繞組匝數,需假設一個堆積因子,因此,一個任意繞制的繞組的匝數可以由式乘以求出,式中,值決定于導體的直徑。必須指出,繞組面積不僅能決定繞組的匝數,而且還決定具體的繞制條件(顯得張力,橫向走速以及操縱技巧等)。 有些繞組的線圈之間需采用絕緣紙或塑料薄膜作絕緣層,此時不必在線圈骨架兩側設置保護法籃,為了防止位于斷頭的線圈倒塌,就要求繞組的寬度小于每層絕緣層的寬度設為繞組的高度,且層間的接觸緊密,則匝數為,式中為繞組的匝數,它表示為,為繞組層間的絕緣層厚度,為堆積因子,一個設計得很好的磁芯窗口,堆積因子于接近,通常在左右。

繞組的直流電阻

假設組成繞組的導線的總長度為,橫截面為,則繞組的直流電阻為,式中,為導線材料的電阻率,對于銅來說,在度時,值為,電阻率的溫度系數為,若裸導線的直徑為,每匝平均長度為,匝數為,則式可以表示為,式中,表示單位長度的導線所具有的電阻值。 對于一個截面為圓形的繞組,可以根據平均直徑來確定每匝的平均長度當線圈繞制在矩形框架上時,將會出現如圖所示的彎曲現象,在計算每匝的平均長度時,常常忽略由彎曲所引起的計算誤差,參照圖得到每匝的平均長度,聯立式與式后,得到繞組的直流電阻為,由式可知,對于充滿窗口的繞組來說,正比于匝數的平方,若在此繞組中放入磁芯,電感量同樣與的平方成正比,因此,對一個給定的磁芯來說,可以用繞組的電阻與電感量的比值來表示其特性,其表達式為,若與導體直徑的關系不大,則與匝數無關,只與磁芯的幾何形狀有關,通常該比值作為衡量磁芯設計優劣的指標,顯然,該指標應當愈小愈好。 如果繞組是由股數為,直徑為的導線所組成,當忽略由導線之間的不平引對幾何尺寸的影響后,可以根據式來計算繞組的電阻,為計算方便,先根據單根導線計算出相應的,然后再除以股數,求出多股線繞組的實際直流電阻值。

以上所有的討論僅限于單個繞組的情況,而且認為這個繞組基本上占有整個窗口,實際上,即使是一個最簡單的變壓器,至少也應當由兩個匝數不等的繞組組成,因此,在估算繞組的直流電阻或損耗時,必須同時考慮兩個繞組。

設兩個繞組的匝數分別為,通過它們的電流分別為,它們之間必然滿足下列關系,根據式得到繞組中的功率損耗,式中下腳標,分別表示不同繞組,如果式中以及(繞組總面積)則,

將上式對微分并令其為零,則得到或,由式可見,要在繞組中得到最小的功率損耗,則兩個繞組的面積應趨于相等,如果,此時應適當調整它們的面積。

繞組中的交流損耗

若導體處于交變磁場中,將要感生電動勢,產生渦流,從而導致渦流損耗。繞組是由導體繞制而成的,因此,當它們處于交變磁場中時,由渦流引起的功率損耗是不可避免的。 如果導體所處的交變磁場,是由導體中自身的交變電流引起的,此時產生渦流損耗的機理是集膚效應,倘若作用于導體的交變磁場是由鄰近的截流導體產生的,產生渦流損耗的機理是鄰近效應。下面我們進一步介紹上述兩種損耗的產生過程,表達公式及克服這些損耗的途徑。 由集膚效應引起的渦流損耗

在一根絕緣直導線中通過交流電流時如果頻率不很高,由交變電流引起的同心磁場在導線截面上的分布形象如圖所示,同心磁場在導體內感應出與磁化電流方向相反的電流,該電流稱為渦流,渦流在導線截面上的分布如圖的中間部分所示。渦流的作用是使導體中心附近的磁化電流削弱,使沿導體表面流通的電流加強,這就使導體橫截面上的電流呈不均勻分布,橫截面中心的電流最小,表面附近的電流最大如果外加交流電流的頻率提高,則感應電動勢增大,電流在截面上分布的不均勻型進一步加劇,以致把導體中的電流驅趕到表面附近,局限在薄壁中流通,這種效應稱為集膚效應,由于集膚效應的作用使導體的交流電阻大于直流電阻,對于圓形截面的導體,其交流電阻表示為:式中,是由集膚效應引起的電阻增量,為集膚效應因子,它表示集膚效應的強弱。 集膚效應隨而異,其中為導體直徑,為滲透深度,它是導體的重要參數,表示由于渦流作用,使離開導體表面的距離處的電磁波衰減到等于表面為的滲透深度與導體的電阻率,相對磁導率以及工作頻率有關,通常表示為.

集膚效應以及以后將要介紹的看、鄰近效應均與滲透深度有關,它們之間的關系如圖所示,該圖表示了集膚效應因子和鄰近效應因子隨著的增加而變化的規律。

由于集膚效應使圓形截面導體中能夠流通電流的面積比實際截面積小,而且隨著頻率提高,這種減小更為明顯,這是因為頻率愈高,集膚效應愈嚴重,導致滲透深度大大下降的緣故,由于隨頻率變化,所以,在工程應用中常常需要知道給定頻率下的值,表中給出了常用導體(銅,鋁和銀)在時的系數該值決定于導體材料的電導率,當值由表查的后,根據公式求出值。在該圖中同時給出了導體的門檻直徑隨頻率變化規律,該值經表示交流電阻增加到導體直流電阻倍時的直徑,實際直徑應當小于該值。

由圖可見,對圓形截面導體來說,小于時,集膚效應因子可以忽略不計,隨著增加,集膚效應因子迅速增加,當大于時,與之間滿足下列關系。由上式可知,當值很小時,由于值很大,這時可進一步簡化為:將該式代入式,則得到交流電阻,由式可知,導體的交流電阻隨著直徑的增加而下降,而直流電阻隨直徑的增加成平方關系下降,即比前者下降更為明顯,因此,交流電阻與直流電阻的比值將隨直徑增加而增加。 在較高頻率下,由于電流只能沿著集膚深度限定的導體表面層流通,此時的交流電阻如式所示他們又可以表示為。將上式與一般電阻公式相比,其分母相當于導體的截面,它表示的是一個周長為,厚度為的截面的面積。

為了減弱高頻時的集膚效應,可以采用互相絕緣的多股細導線,將它們互相搓捻,編織成多股導體繩,由于導體是互相絕緣的,因而將渦流限制在每根細導線中,從而削弱了集膚效應的影響。

鄰近效應引起的損耗

如前所述鄰近效應是由鄰近導體的交變磁場在某一導體中引起的渦流效應,通常繞組是用若干平行排列的導體繞制而成,因此鄰近效應亦可以看成整個繞組的磁場對一導體引起的渦流

效應,必須指出,位于磁場中的繞組或導體,不管它們本身是否原來載流,都將引起渦流效應,如果它們原來有電流通過,則由渦流引起的損耗將與導體本省的損耗相疊加,從而使總損耗增加。

載流繞組產生的磁場的方向與繞組中導體的軸向垂直,對于圓形截面的導體,且值又不大的時候,合成渦流路徑及電流分布如圖,當值小于時,由于導體本身一年期的渦流效應可以忽略不計,因此,僅需考慮鄰近效應及其產生的損耗。

下面我們來分析圖所示的薄導帶中的情況,薄導帶長度為,寬度為以及厚度為,受到鄰近導體的磁場作用后,產生的感應電壓為,式中,為厚度方向的任意尺寸。 由鄰近場產生的渦流將沿著薄帶的長度方向來回流通,當忽略薄帶兩個端頭的電阻后,渦流在厚度為的極薄范圍內遇到的電阻表示為,相應的功率損耗為,厚度為的薄帶中的總損耗為,上式是對于矩形截面導體,并假定了磁感應強度與帶平面相平行而得到的結果,如果不平行于帶平面,則值增加,對于直徑為的圓形截面導體亦可用相似方法推的損耗表達式為。 現在我們討論對圓形截面導體中產生的鄰近效應損耗做進一步的討論。 當截流導體受到鄰近導體的橫向磁場作用時將導致電流密度分布不均勻,沿導體的一側得到加強,另一側則被削弱,如圖下圖的實線所示,當工作頻率較高或導體內部的直徑較大時,值遠大于,導體內部的感應強度因渦流作用而大大下降,與此相應的電流密度變更大,加劇了電流密度分布的非線性。當出現這些現象時,集膚效應使電流只能在接近導體表面的一個很薄的層內流過,如果相鄰導體的橫向磁感應強度是均勻的,則上述兩種效應互相加強,使電流向到i的某一側集中。

如果在式中引進一個鄰近效應因子,對計算圓形截面導體中由鄰近效應引起的損耗帶來很大方便,鄰近效應因子是無量綱因子,它隨的變化規律已示于圖中,必須指出,圖中的變化規律僅適用于圓形截面導體,當下降時,當增加到以上時,值近似用下式表示。 實際上更多地使用損耗角正切的形式,對于與鄰近效應損耗相應的損耗角正切是人們更為關心的參數。為簡單起見,假設繞組只有一個線圈,其中填有鐵氧體磁芯,設繞組空間的磁感應強度與繞組的安匝數成正比,式中,在繞組空間的平均值,為常數。將式用電組形式表示,則得到。式中,是由鄰近效應引起的損耗電阻,它與繞組相串聯,由上式可知,因為繞組的電感量,由上面一系列公式,得到。

當工作頻率較低時,小于,此時與無關,與頻率成正比,頻率較高時,鄰近效應損耗增加,在時,達到最大值,頻率更高時,正比于或,所以,正比即隨增加而下降。

減小導體的直徑雖然可以有效地降低臨近月,但是與此同時,導體的直流電阻將迅速增加,為此克服鄰近效應的有效措施是選用線徑較細的多股線來代替單股線。若多股線的股數為,則在低頻時的繞組有效截面積為,制作繞組時每根導線按螺旋式路徑與鄰近導線繞在一起,為說明這種結構,圖中表示了其中兩根導線互相纏繞的情況,由圖可知,當正弦變化的磁感應強度垂直穿過該組兩根導線時,它們產生的感應電動勢互相抵消,若多股線捻扭的程度足夠大,則可以使感應電動勢基本上互相抵消。

現在我們將式用于這種多股線繞組情況,將代替導線總長度后得到,式中,和表示鄰近效應的兩個不同參數,它們之間的關系為,常數的單位是,用后一單位時,直徑的單位取,常數的單位是,同樣可以用和表示。

如果繞組hi實心單股導線制成,只要將上式中取為,即可直接計算值,當繞組空間內的磁感應強度不均勻時,和值不易通過公式直接計算,通常均是由實驗來確定。





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