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鐵芯氣隙與漏感之間的關(guān)系

作者:威博特鐵芯   發(fā)布時(shí)間:2019-03-30 15:05:20 瀏覽次數(shù):
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    鐵芯飽和就相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)是個(gè)空心線圈(相當(dāng)于短路),它的電流會(huì)很大,一直上升到燒壞變壓器或者保險(xiǎn)管為止。 
    鐵芯氣隙是鐵芯空氣間隙的簡(jiǎn)稱,一般硅鋼的鐵芯不是一個(gè)整體的閉合體,在鐵芯對(duì)接口處有意無(wú)意留下的間隙就是鐵芯氣隙,所以人們不需要鐵芯氣隙時(shí)可以采用環(huán)型變壓器,用到氣隙時(shí)就故意加大對(duì)接的缺口,或在缺口處墊非導(dǎo)磁材料,如高溫紙。 
    高頻變壓器才開(kāi)氣隙,是為了防止鐵芯磁飽合,因?yàn)閁PS中有高次詣波,所以要開(kāi)氣隙,但變壓器開(kāi)氣隙的原理和電感是不一樣的。變壓器都是硅鋼片拼成的,兩個(gè)對(duì)著的硅鋼片之間的間隙叫氣隙。氣隙大了當(dāng)然磁阻就大了。變壓器留氣隙是為了防止在工作中產(chǎn)生磁飽和!氣隙是在鐵芯交合處留的縫隙!和繞線無(wú)關(guān)。有了氣隙的確是增加了磁阻,但卻是有益的!氣隙的作用是減小磁導(dǎo)率,使線潿特性較少地依賴于磁芯材料的起始磁導(dǎo)率。氣隙可以避免在交流大信號(hào)或直流偏置下的磁飽和現(xiàn)象,更好地控制電感量。然而,在氣隙降低磁導(dǎo)率的情況下要求線圈圈數(shù)較多,相關(guān)的銅損也增加,所以需要適當(dāng)?shù)恼壑小?nbsp;
    一般反激式電源,在氣隙較小時(shí),氣隙越小,功率越小,氣隙越大,功率越大,一般氣隙能調(diào)到滿足輸出功率即可,當(dāng)然任何條件下不能進(jìn)入飽和區(qū),即輸入電流不能出現(xiàn)上沖現(xiàn)象。在磨氣隙時(shí),可用一小條水沙紙(加水磨速度較快較平),底下墊玻璃,要?dú)庀洞缶湍ブ虚g,想減小點(diǎn)氣隙就磨兩邊。 
    反激電源變壓器漏感是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù),由于反激電源需要變壓器儲(chǔ)存能量,要使變壓器鐵芯得到充分利用,一般都要在磁路中開(kāi)氣隙,其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率,使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊,而不至于鐵芯進(jìn)入飽和非線形狀態(tài),磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài),在磁路中產(chǎn)生漏磁遠(yuǎn)大于完全閉合磁路。
    變壓器初次極間的耦合,也是確定漏感的關(guān)鍵因素,要盡量使初次極線圈靠近,可采用三明治繞法,但這樣會(huì)使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長(zhǎng)的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。 
    反激電源變壓器磁芯工作在單向磁化狀態(tài),所以磁路需要開(kāi)氣隙,類似于脈動(dòng)直流電感器。部分磁路通過(guò)空氣縫隙耦合。為什么開(kāi)氣隙的原理本人理解為:由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應(yīng)強(qiáng)度(B),現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點(diǎn)在400mT以上,一般此值在設(shè)計(jì)中取值應(yīng)該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)此值與磁化電流強(qiáng)度成比例關(guān)系。磁路開(kāi)氣隙相當(dāng)于把磁體磁滯回線向X 軸向傾斜,在同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度下,可承受更大的磁化電流,則相當(dāng)于磁心儲(chǔ)存更多的能量,此能量在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)通過(guò)變壓器次級(jí)瀉放到負(fù)載電路,反激電源磁芯開(kāi)氣隙有兩個(gè)作用,其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。
    反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài),不僅要通過(guò)磁耦合傳遞能量,還擔(dān)負(fù)電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機(jī)性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導(dǎo)致電源損壞。 
    當(dāng)在變壓器鐵芯中留有氣隙時(shí),由于空氣的導(dǎo)磁率只有鐵芯導(dǎo)磁率的幾千分之一,磁動(dòng)勢(shì)幾乎都降在氣隙上面。因此,留有氣隙的變壓器鐵芯,其平均導(dǎo)磁率將會(huì)大大下降;不但剩余磁通密度會(huì)降低,而且磁通密度Bm可以達(dá)到飽和磁通密度Bs,從而使磁通增量增大,變壓器鐵芯不再容易出現(xiàn)磁飽和。

    加氣隙: 
    1.減小了電感;
    2.激磁電流增大; 
    3.降低Br; 
    4.增加儲(chǔ)能能力,抗飽和好(Le大大增加,同樣的NI對(duì)應(yīng)的B小很多)。
    開(kāi)氣隙后,由于漏感的增加,次級(jí)線圈所包圍的磁鏈?zhǔn)菧p少的。其實(shí)根本的問(wèn)題是兩個(gè),一:勵(lì)磁電流與輸出電流并聯(lián),勵(lì)磁電流的增大即意味著效率的降低;二:漏感增加,這個(gè)的危害就不說(shuō)了。(待考證) 
    漏感的原因會(huì)導(dǎo)致初次級(jí)線圈的磁通無(wú)法完全抵消,時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)導(dǎo)致磁芯磁化,所以大功率的正激是需要加一點(diǎn)氣隙好讓變壓器直流成分都到氣隙里。這個(gè)磁通不完全抵消的理論我也是聽(tīng)說(shuō)的,覺(jué)得有道理。

    正激在勵(lì)磁的同時(shí)傳遞能量,勵(lì)磁搭建能量傳遞的平臺(tái),勵(lì)磁電流在關(guān)斷期間回饋能量給電源或被消耗掉進(jìn)行磁復(fù)位,勵(lì)磁電流越小激磁能量就越小,激磁損耗也越小。加氣隙后磁阻增大,磁芯中能夠儲(chǔ)備的磁能增大,磁芯剩磁Br也會(huì)減小,deltB(Bs-Br)增大,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期延長(zhǎng)時(shí)不易發(fā)生磁飽和,但勵(lì)磁電流和漏感均會(huì)增大。
    工作頻率較低時(shí),可加微量的氣隙,這時(shí)不易發(fā)生磁飽和,deltB增大,線圈匝數(shù)可以減少,銅損減少,但要注意磁復(fù)位和關(guān)斷期間的尖峰高壓。
    工作頻率很高時(shí),單位時(shí)間內(nèi)磁芯中的磁能變化很大,磁芯損耗急劇增大,設(shè)計(jì)時(shí)磁芯的deltB的取值必須減小,這時(shí)Bs和Br不是限制因子,同時(shí)由于匝數(shù)已很少,沒(méi)有必要加氣隙增大漏感和勵(lì)磁電流。 
    1.儲(chǔ)能用的好加一點(diǎn)氣隙,大幅提高其承受直流磁場(chǎng)偏置的能力;
    2.對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合,非儲(chǔ)能變壓器不用開(kāi)氣隙,直接把窗口面積繞滿;但通常受到體積、成本的限制,我們總是用盡可能小的磁芯出盡可能大的功率,此時(shí)也開(kāi)一點(diǎn)氣隙,這樣磁場(chǎng)強(qiáng)度小幅擾動(dòng)時(shí)不容易發(fā)生飽和現(xiàn)象;
    3.電流產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)傳遞能量或者儲(chǔ)存能量,功率的傳遞過(guò)程:電能-磁能-電能。 
    一般,氣隙小可能導(dǎo)致變壓器飽和;氣隙大,將使整個(gè)電源負(fù)載特性變軟,空載和滿載輸出電壓變化變大,另外紋波尤其是毛刺加大。 
    磁芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣,根據(jù)H=B/u可以看出,u越小磁場(chǎng)強(qiáng)度H越強(qiáng),而磁芯存儲(chǔ)的能量與H成正比,W=VuH²/2,V是體積,u磁導(dǎo)率,所以說(shuō)氣隙存儲(chǔ)了大部分的能量。 
    磁滯回線中的H是原邊勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H(Io)和原邊抗副邊電流所產(chǎn)生的H(I1)及副也電流所產(chǎn)生的H(I2)的矢量和。即H=H(Io)+H(I1)+H(I2)的矢量和,而H(I1)=-H(I2),即H=H(Io),所以磁滯回線中的H為H(Io),那么它所對(duì)應(yīng)的電流是Io,而不是Io+I1。 
    加氣隙提高飽和N*I,變壓器大部分能量存儲(chǔ)在氣隙中,氣隙越大,變壓器能存儲(chǔ)的能量越大,故不容易飽和,變壓器磁芯儲(chǔ)能能力       E=0.5*B*V*H.,加入氣隙后,H是磁芯和空氣部分等效He。
    空心線圈永不飽和,故加入氣隙后,整個(gè)磁路具有一點(diǎn)空氣特性。飽和磁通密度仍然為磁芯材料的飽和磁通密度。但是,變壓器能承受更多能量(在氣隙中占大部分)。

    氣隙越大,線圈中雜散磁場(chǎng)越強(qiáng),導(dǎo)致渦流越大,損耗就大! 
    可近似認(rèn)為有氣隙鐵心的磁阻都集中在氣隙中:
Rm≈δ/μ*Ac           (1) 
其中μ=4*π*10^(-7) (H/m)——真空導(dǎo)磁率;δ——氣隙厚(m);Ac——氣隙面積(m^2)  磁阻的倒數(shù)為磁導(dǎo),或稱每圈電感.所以有氣隙鐵心的電感量為:  L=μ*Ac*N*N/δ (H)     (2) 
另一方面,電感為單位電流產(chǎn)生的磁鏈,
L=ψ/I =N*Bm*Ac/Im (H)       (3) 
(Bm Im分別為磁密(T)與電流(A) ) 
所以,聯(lián)立(2)、(3)式有 
δ=1000*μ*N*Im/Bm (mm) (4) 
使用(4)式注意,
    1)全部使用國(guó)際單位制;
    2) (4)式為磁路氣隙之和,例如墊紙片形成氣隙時(shí),紙片厚度為(4)式的一半;
    3)因(1)式略去了鐵心磁阻,故(2)式的計(jì)算結(jié)果略微偏大。 
    為什么電抗器氣隙越大,電感越?。侩姼泻妥杩钩烧汝P(guān)系么?
    線圈的電感量是與磁路的磁導(dǎo)率u成正比的,氣隙越大,磁路的磁阻越大,也就是說(shuō)磁導(dǎo)率降低了,所以電感量就小了。電感的感抗 X = 2 * ∏ * f *L所以感抗X與電感量L成正比。
    為什么說(shuō)磁導(dǎo)率降低了,所以電感量就???
    磁導(dǎo)率是磁阻的倒數(shù),磁阻大了,磁導(dǎo)率就小了。
    那和電感量有什么關(guān)系呢?
    線圈的電感量是與磁路的磁導(dǎo)率u成正比的。




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