關(guān)于電感值的工程變通計(jì)算和測(cè)試法
摘要：簡(jiǎn)要地介紹了用常規(guī)方法計(jì)算電感值存在的困難，推導(dǎo)出一種計(jì)算電感的公式，從而繞開(kāi)了對(duì)磁材磁性能指標(biāo)如Bs及μ值的準(zhǔn)確了解，而能順利計(jì)算出所需的電感值。
關(guān)鍵詞：電感器 鎮(zhèn)流器 濾波器
1 引言 在開(kāi)發(fā)電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈電感鎮(zhèn)流器及電感式節(jié)能燈中，常常遇到鎮(zhèn)流電感及濾波電感值的計(jì)算問(wèn)題。 但是電感值的計(jì)算程式比較繁瑣，并且在缺乏必要的磁材參數(shù)測(cè)量?jī)x器的情況下，要嚴(yán)格按程式計(jì)算也是困難的，如果有設(shè)計(jì)仿真軟件當(dāng)然就容易了。
2 傳統(tǒng)的程式設(shè)計(jì) 例如：要設(shè)計(jì)40W電子鎮(zhèn)流器，電路需要L=1.6mH的電感，試計(jì)算磁芯大小、繞線(xiàn)匝數(shù)、磁路氣隙長(zhǎng)度。 首先，計(jì)算磁芯截面積，確定磁芯尺寸。 為此，可由式（1）計(jì)算出磁芯面積乘積Ap Ap=(392L×Ip×D2)/ΔBm (1) 式中：Ap——磁芯面積乘積cm4 L——要求的電感值H Ip——鎮(zhèn)流線(xiàn)圈通過(guò)的電流峰值A(chǔ) ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量T D——鎮(zhèn)流線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)直徑mm 根據(jù)磁芯面積乘積Ap的計(jì)算值在設(shè)計(jì)手冊(cè)中選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格磁芯或自行設(shè)計(jì)磁芯尺寸。
在此ΔBm一般取飽和磁感強(qiáng)度的1/2～2/3，即：ΔBm=（1/2～2/3）Bs。 Bs在一般磁材手冊(cè)中都是給定的，可以查找出來(lái)，所以，一般說(shuō)，由式（1）計(jì)算磁芯尺寸，并不是難事，難在磁材本身參數(shù)的分散性，同一爐磁芯的參數(shù)差別有時(shí)會(huì)很大，手冊(cè)中給出的Bs—H曲線(xiàn)和參數(shù)是統(tǒng)計(jì)平均值，所以依據(jù)式（1）算出的尺寸，還要在實(shí)際使用中反復(fù)檢驗(yàn)修正。 磁芯尺寸確定以后，計(jì)算空氣隙（對(duì)EI型磁芯就是夾多厚的墊片，對(duì)于環(huán)型鐵芯就是開(kāi)多寬的間隙）一般是按式（2）計(jì)算：
lg=(0.4πL·I2}/Sp·ΔB2m (2) 式中：lg——磁芯氣隙長(zhǎng)度cm L——所需的電感值H Ip——線(xiàn)圈中通過(guò)的電流峰值A(chǔ) ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量T Sp——磁芯截面積cm2 一般地說(shuō)，根據(jù)式（2）計(jì)算氣隙大小，也不會(huì)太困難。困難仍在于ΔBm值，僅是廠家的統(tǒng)計(jì)平均值，對(duì)于同一規(guī)格的磁芯，不同廠家也是不同的，所以，依據(jù)式（2）算出的lg，僅是個(gè)大概值，還須在實(shí)際中去反復(fù)修正，也就是再試湊。 磁芯尺寸確定了，氣隙長(zhǎng)度也確定了，就可以確定需繞多少匝，才能達(dá)到所需的電感值L。 根據(jù)L=4μ·N2×10－9×A (3)
可得
式中：N——為所需的繞組匝數(shù) A——磁芯的幾何形狀參數(shù) 要根據(jù)式（4）算出匝數(shù)，關(guān)鍵是要知道導(dǎo)磁率μ為多少，從廠家給的磁材手冊(cè)上查，μ值也只是個(gè)范圍。例如R2K磁芯，其初始導(dǎo)磁率實(shí)際上是在1800～2600之間，具體值得靠測(cè)量。測(cè)量磁參數(shù)的儀器，一般工廠是不具備的，于是要根據(jù)式（4）計(jì)算匝數(shù)就比較困難。尤其是在有氣隙的條件下，導(dǎo)磁率比無(wú)氣隙時(shí)下降了多少也是未知數(shù)。所以依據(jù)式（4）計(jì)算就更困難。一般是先假設(shè)μ，進(jìn)行計(jì)算，算出匝數(shù)N，試?yán)@好后測(cè)量L能否達(dá)到設(shè)計(jì)值，通常很難達(dá)到，則再另設(shè)μ值，再計(jì)算，這樣反復(fù)試湊下去，直到接近預(yù)定的L值結(jié)束。 以上就是根據(jù)已知電感量L，求磁芯尺寸，氣隙及繞組匝數(shù)的通用方法。 如果，設(shè)計(jì)一種鎮(zhèn)流器只計(jì)算一個(gè)電感值L，采用這種試湊計(jì)算也就算了，現(xiàn)在要面對(duì)市場(chǎng)，需要種種規(guī)格的鎮(zhèn)流電感，再這樣試湊，不僅時(shí)間上拖延了新品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，試制材料上也浪費(fèi)很多。當(dāng)然如果有電感值計(jì)算仿真軟件，就另當(dāng)別論。 3 變通算法 根據(jù)前面計(jì)算出的磁芯尺寸、氣隙長(zhǎng)度，先繞制一匝數(shù)為No的電感，其實(shí)測(cè)電感值為L(zhǎng)o，則有 Lo=4μN(yùn)o2×10－9×A (5) 令式（3）式（5）相除并整理后得：
式中：L——為要求的電感值 No——為已知的匝數(shù) Lo——為已知的匝數(shù)下的電感值 這樣，對(duì)同一參數(shù)的磁芯，只要知道L、No、Lo三個(gè)參數(shù)，即可求出匝數(shù)N。 實(shí)際制作時(shí)我們先在磁芯上繞（環(huán)形磁芯可以直接繞，EI型磁芯可在骨架上繞）No=20匝，在電感儀上測(cè)出Lo，將此值代入式（6），即可求出在該磁芯上應(yīng)繞的匝數(shù)N。 間隙的確定： （1）間隙的作用 圖1及圖2中的曲線(xiàn)①為無(wú)間隙時(shí)磁芯的磁化曲線(xiàn)及導(dǎo)磁率μ與B的曲線(xiàn)，圖1及圖2中的曲線(xiàn)②為有氣隙時(shí)的相應(yīng)曲線(xiàn)。 從圖1及圖2的曲線(xiàn)可看出，同一磁芯開(kāi)了氣隙后，可使B—H曲線(xiàn)斜率降低，使磁芯飽和點(diǎn)右移，從而增加了磁芯抗直流磁化的能力。但氣隙的加入，又使導(dǎo)磁率下降，所以氣隙有個(gè)最佳值，即在電感線(xiàn)圈通過(guò)最大峰值電流時(shí)，磁芯不進(jìn)入飽和，同時(shí)又不致使導(dǎo)磁率降得太低，因?yàn)閺氖剑?）可知，在所需電感量一定時(shí)若導(dǎo)磁率降低勢(shì)必要增加線(xiàn)圈匝數(shù)，這是個(gè)矛盾。 （2）確定最佳氣隙 按該鎮(zhèn)流電感所通過(guò)的最大電流峰值Ip，利用直流磁化電源，和電感測(cè)試儀配套連接，使通入的直流電流達(dá)到Ip時(shí)，電感量下降不超過(guò)零電流時(shí)的10％，即認(rèn)為磁芯已經(jīng)到達(dá)最高Bm值，此時(shí)的間隙即為最佳氣隙長(zhǎng)度。 如果通入Ip時(shí)，電感下降值超過(guò)10％，說(shuō)明間隙小了些，可適當(dāng)再加大點(diǎn)，如果在Ip時(shí)，電感不下降，說(shuō)明間隙片大了點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)減小點(diǎn)，這樣，邊測(cè)邊改，十幾分鐘就確定了最佳氣隙長(zhǎng)度，避免了利用式（2）計(jì)算氣隙時(shí)因Bm值不確定帶來(lái)的反復(fù)試湊的麻煩。 根據(jù)上述可歸結(jié)出電感值計(jì)算三步法，即在根據(jù)電路要求或燈電參數(shù)確定了鎮(zhèn)流電感值L后，可按下述三步進(jìn)行： ①利用式（1）確定磁芯尺寸； ②用直流磁化電源和電感測(cè)試儀確定氣隙； ③利用公式（6）計(jì)算所需的匝數(shù)。 當(dāng)然，這樣確定的鎮(zhèn)流電感值還要裝到電路里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。一般只需作簡(jiǎn)單的匝數(shù)修正即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，用這種變通法設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流電感，繞開(kāi)了對(duì)磁材磁性能指標(biāo)如μ及Bs的準(zhǔn)確了解，而能順利設(shè)計(jì)出需要的電感值。 4 應(yīng)用效果 （1）我們?cè)陂_(kāi)發(fā)研制出的許多系列節(jié)能燈產(chǎn)品中所用的鎮(zhèn)流器電感，都是按上述三步法設(shè)計(jì)的，效果良好。 （2）利用變通計(jì)算法在已知產(chǎn)品的電感值，磁芯尺寸及間隙厚度條件下，反求其繞線(xiàn)的匝數(shù)。 當(dāng)有的電感繞組不能用測(cè)圈儀測(cè)量其匝數(shù)時(shí)，只好一圈一圈拆計(jì)數(shù)，對(duì)EI型磁芯還好拆，對(duì)于環(huán)形鐵芯拆起來(lái)較困難，尤其是小環(huán)、線(xiàn)細(xì)、匝數(shù)多的情況，現(xiàn)在利用變通算法，只要設(shè)法在原電感上繞20～30匝線(xiàn)，再測(cè)出新繞電感值Lo代入式（6）即可求出該電感的實(shí)際匝數(shù)。 （3）利用變通計(jì)算法控制環(huán)形鐵芯電感量的一致性。 在鐵芯卷繞及加工間隙時(shí)，由于操作工藝上的問(wèn)題，會(huì)造成間隙厚度和形狀不一致，這樣，如按固定的匝數(shù)進(jìn)行繞制，勢(shì)必造成各個(gè)環(huán)形電感值的很大差異，不符合設(shè)計(jì)要求。 為解決這個(gè)問(wèn)題，一般采用寧肯多繞幾圈的辦法，在測(cè)量電感值時(shí)，再把多余的圈數(shù)拆掉（當(dāng)然拆幾圈比增加幾圈簡(jiǎn)單一些） 我們?cè)陂_(kāi)始生產(chǎn)250W鈉燈鎮(zhèn)流器時(shí)，唯恐繞好后有的電感量不夠，就寧肯多繞十幾匝，結(jié)果逐個(gè)檢測(cè)電感量時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的電感量基本接近設(shè)計(jì)值，而有的多繞了十幾匝，只好一個(gè)個(gè)地拆掉多余的匝數(shù)，浪費(fèi)了銅線(xiàn)也費(fèi)了工時(shí)。 為此，我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)工裝，用此工裝結(jié)合LCR測(cè)試儀可直接對(duì)每個(gè)鐵芯進(jìn)行Lo的測(cè)量，并用標(biāo)簽貼在鐵芯上。工裝的No為30匝，測(cè)量一個(gè)批量后，用公式（6）計(jì)算，即知同一L值的鐵芯上應(yīng)繞的匝數(shù)。 對(duì)于某一功率的鎮(zhèn)流器，L是已知的，如250W鈉燈鎮(zhèn)流電感，L一般為190mH左右，則：
這就把一個(gè)較復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題簡(jiǎn)化，交由生產(chǎn)線(xiàn)工人來(lái)操作。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
