了解带间隙磁芯的电感器

在这篇文章中，我们探讨了在电感器的磁芯中引入气隙的优点。

设计磁性元件时，铁芯饱和是一个主要问题。大多数应用都试图避免这种情况。正如我们在前一篇文章中讨论的那样，通过减少电感器的匝数，可以将铁芯的磁通密度限制在饱和水平以下。然而，这也降低了电感。

另一种更有用的技术是在铁芯上添加气隙，同时以适当的系数增加匝数。这种方法允许我们控制电感和饱和电流参数。添加气隙也会增加电感器的储能能力，使其不易受到铁芯磁性变化的影响。

在本文中，我们将详细讨论这些优点。然而，在我们深入探讨之前，让我们回答一个基本问题：为什么电感器和变压器使用磁芯？

空心电感器与磁芯电感器

空心电感器充当天线。它向附近的电路发射不需要的电磁辐射，并从环境中接收可能干扰电路运行的电磁信号。

另一方面，磁芯的高磁导率使其能够将磁场集中在预定的空间区域。这使我们能够增加绕组之间的磁耦合。通过这种方式，使用磁芯可以创建具有大电感的电感器和具有高耦合的变压器。

图1显示了三种不同的磁芯几何形状。这些可分为两种类型：闭环和开环。

从左到右：两种不同的闭环磁芯几何形状和一个杆状的开环磁芯。

图1。左侧和中央：闭环磁芯。右图：开环磁芯。

图1左侧和中心的磁路是闭合的，导致磁通量大部分被限制在铁芯内。然而，当我们检查最右侧的棒芯时，场线会关闭它们穿过周围空气的路径。因此，铁芯形成了一个开放的磁路。在电感器中，通常选择环形或其他类型的闭环铁芯，以最大化铁芯中的磁场并限制漏到铁芯外部的磁通量。

总之，磁芯能够实现紧凑、高价值的电感器，并最大限度地减少电磁干扰，特别是在使用闭环磁芯的情况下。然而，尽管有这些优点，磁性材料有两个主要的非理想性：

磁滞。

高度非线性的B-H曲线。

为了在铁磁芯的优缺点之间取得平衡，通常会在磁芯回路中添加气隙。

什么是Gapped Core？

图2显示了使用具有气隙的磁芯构建的电感器。

绕在有间隙的铁芯上的电感器。

图2:绕在铁芯上并留有气隙的电感器。

空气是一种线性材料，不表现出磁滞现象。因此，气隙提高了线性度并减少了磁滞效应。然而，正如我们稍后将讨论的那样，这些改进是以降低整体电感为代价的。

尽管看起来有点违反直觉，但有间隙的核心也可以在气隙中储存相对更多的能量。这种储能能力在电源设计应用中非常有用，在这些应用中，我们需要以最低的材料成本、尺寸和重量输出大量电力。

间隙铁芯分析

让我们分析图2中的间隙铁芯，看看气隙如何影响不同的电感器参数。假设：

岩心具有相对渗透率μc和平均长度lc。

该间隙的相对渗透率为1，长度为lg。

芯和气隙的横截面积（A）相等。

图3显示了这种间隙铁芯的等效磁路。

图3。间隙铁芯的等效磁路。

在上述模型中：

n是电感器的匝数

i是电感器电流

ℛmc是不情愿的核心

ℛmg是气隙的不情愿。

磁阻量化了磁路抵抗磁场流动的程度，以At/Wb为单位进行测量。铁芯和气隙磁阻可分别由方程式1和气隙磁阻得出：

方程式1。

方程式2。

如上所述，假设芯和气隙具有相等的横截面积（A）。当lg与横截面尺寸相比较小时，这是一个合理的假设。

从图3中的电路模型中，我们可以得出：

方程式3。

该方程将通过铁芯的通量（Φ）与施加的磁动势联系起来。

带间隙岩心的有效渗透率

如果岩心的渗透率远大于单位（μc≫1），则间隙岩心的有效相对渗透率为：

方程式4。

解释：

lc是芯的平均长度

lg是间隙长度。

例如，当lc=100lg时，间隙芯的有效相对渗透率为100。这里的重要结论是，只要μc≫1，间隙就会主导核心行为。

气隙降低了电感

由于间隙降低了铁芯的有效相对磁导率，因此添加间隙也会降低结构的电感也就不足为奇了。另一种达到相同结果的方法是应用电感的定义。我们知道电感的定义为：

方程式5。

通过结合方程式3和5，我们发现间隙铁芯的电感为：

方程式6。

气隙增加了总磁阻并降低了电感。尽管出现了这种明显的下降，但间隙芯提供了三个重要优势：

它们降低了对材料渗透性的敏感性。

它们增加了饱和电流。

它们增加了储存的能量。

让我们逐一探讨这些优势。

气隙降低了对材料渗透性的敏感性

在没有气隙的情况下，电感与芯材料的磁导率成正比，磁导率随温度变化，是施加磁场强度的非线性函数。这使得精确控制电感变得困难。

现在考虑一个有缺口的核心。由于气隙的磁阻远大于芯材的磁阻，因此方程6可以改写为：

方程式7。

从上面可以看出，带间隙铁芯的电感主要取决于间隙特性（a和lg）。由于空气的渗透率（μ0）是恒定的，因此可以调整间隙长度，以建立对渗透率变化不太敏感的可控电感。

图4比较了芯材和间隙芯的B-H曲线。

有气隙和没有气隙的磁芯的B-H曲线。

图4。有间隙芯和无间隙芯的B-H比较。

如上图所示，引入气隙可以减小曲线的斜率，或者等效地减小电感，但也会产生更线性的响应。回想一下，只要岩心的相对渗透率远大于1（μc≫1），间隙就会主导岩心行为。

气隙增加了饱和电流

图4清楚地表明，气隙增加了饱和场强（或相应的饱和电流）。没有间隙，通量所经历的不情愿很小。因此，相对较小的电流会使铁芯饱和。

当在铁芯中引入间隙时，有效磁阻增加。因此，需要更大的电流来使铁芯饱和。让我们计算电感器在不达到饱和的情况下可以处理的最大电流。

根据方程式3，间隙电感器的B值由下式给出：

方程式8。

其中Ac是芯的横截面积。因此，饱和开始时的电流为：

方程式9。

其中Bsat是饱和通量密度。气隙增加了铁芯的有效磁阻，从而增加了饱和电流。

气隙增加了储存的能量

我们知道磁场储存能量。磁场中每单位体积储存的能量（wm）是磁场强度（H）在通量密度变化范围内的积分：

方程式10。

这与我们在本系列文章前面分析磁滞损耗时得出的方程相同。

图4显示，引入气隙会降低B-H曲线的斜率。这扩大了B-H曲线左侧的面积，表明电感器可以存储更多的能量。

图5比较了有间隙堆芯和无间隙堆芯可以储存的能量。绿色阴影区域（A1）对应于无盖堆芯的功率密度。蓝色阴影区域（A2）显示了间隙芯的功率密度。

比较有气隙和没有气隙的磁芯的储能能力。

图5。绿色和蓝色阴影区域分别显示了无盖芯和有间隙芯的功率密度。

A1和A2的快速视觉比较清楚地表明，有间隙的核心可以比无间隙的核心储存更多的能量。如果我们增加间隙的长度，B-H曲线的斜率将进一步减小，从而产生更大的储能能力。间隙电感器中的大部分能量实际上存储在气隙中。

选择间隙长度和匝数

我们看到气隙增加了饱和电流，但降低了电感。为了补偿气隙引起的电感损失，我们可以增加线圈的匝数（n）。这增加了线圈产生的磁场，使电感恢复到所需值。

假设间隙磁阻远大于铁芯的间隙磁阻，方程式6和8简化为：

方程式11。

以及：

方程式12。

增加n的值会导致电感（L）和磁通密度（B）也增加。然而，L与n2成正比，B与n成正比。因此，当n增加时，电感的增长速度比磁通密度快。

如果我们增加ℛmg和n，就有可能在不改变电感的情况下降低磁通密度。例如，假设k是一个大于1的任意值。如果我们将ℛmg增加k倍，将n增加k倍√k，则L保持不变，但B减少了√k

何时使用带间隙铁芯的变压器

在许多应用中，我们使用变压器将交流信号从电源传输到负载。在这种情况下，我们通常使用无映射内核。添加气隙会降低任何给定形状因子的可实现电感，并导致变压器不太理想。

其他变压器，如点火线圈和反激式变压器，用于储存能量，然后将其传输到次级绕组。这些应用可能会使用间隙铁芯，因为它们可以存储更多的能量并显著减少磁滞损耗。

例如，在典型的汽油动力汽车中使用的点火线圈具有约250匝的初级线圈和约25000匝的次级线圈。初级电池与汽车电池相连，通过产生强磁场来储存能量。要点燃火花塞，需要切断初级线圈电流。这使得磁场崩溃，在次级线圈中感应出高压电动势。

通过这种方式，磁场能量在次级线圈中变成强电流脉冲，从而点燃塞子并点燃发动机气缸中的燃料-空气混合物。在点火线圈中使用间隙铁芯有助于确保足够的能量到达次级绕组。