电子镇流器中电感线圈的选择和计算.doc

1电电子子镇镇流器中流器中电电感感线线圈参数的圈参数的选择选择与与计计算算陈传虞摘要本文首先介绍了磁性材料的特性，然后根据它的特性，讨论电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算方法，包括选用磁芯尺寸、气隙大小、线圈圈数和漆包线线径等关键词：锰锌铁氧体 初始磁导率 磁通密度 饱和磁通密度 功率损耗 居里温度 气隙Abstract: The article introduces the electrical and magnetic properties of ferrite material at first. And then discusses the selection and calculation methods of the inductance coils in electronic ballast, including how to select the ferrite core,air gap,coil turns and wire's diameter . . Key Words : Mn-Zn Ferrite Initial permeability Flux density Saturation flux density Power loss Curie temperature Air gap考虑到一些工程技术人员对磁性材料及所涉及的计算公式不够熟悉，为便于展开讨论， 本文从基础知识讲起，首先介绍在电子镇流器中常用的锰锌铁氧体磁性材料的一般特性和 磁路的基本计算公式，然后，在此基础上，再讨论电感线圈计算中有关问题，包括磁芯尺 寸、气隙大小、磁芯中的磁感应强度、磁芯损耗以及线圈的圈数和线径的计算等。

这些内 容对于从事电子镇流器设计的人员无疑是很有用的一．锰锌铁氧体磁性材料的一般特性一．锰锌铁氧体磁性材料的一般特性 表征磁性材料的磁性参数有以下数种： 1.初始磁导率初始磁导率 μμi i 初始磁导率是基本磁化曲线上起始点的磁感应强度 B 与磁场强度 H 之比任何一种磁 性材料的初始磁导率可以按以下方法求得：用该材料做成截面积为 A（cm2)的圆环，平均 直径为 D（cm)，在圆环上均匀分布绕线 N 匝，在 LCR 电桥（例如 TH2811C 数字 LCR 电桥） 上，测出其电感为 L（H） ，则可按下述计算公式求出其磁导率（1） 式中，Le、Ae 分别代表磁芯磁路的有效长度及有效面积，如式（1）除以真空磁导率 μ0（μ0=4π×10-7（H/m） ） ，则得到相对初始磁导率，它可以表示为：式（1） 、 （2）中，L 的单位为亨（H） ，D、有效长度 Le 的单位为 cm，A、有效面积Ae 的单位为 cm2如 D、A 分别换用 mm、 mm2为单位，则式（2）中最后一项应换成 1010 公式（2）由于除以 μ0，所以是无量纲的，一般在磁性材料的工厂手册中给出的初始磁导 率，就是按式（2）求得的。

例 1 有一个 R5K 材料磁环，其尺寸为外径 12mm、内径 6mm、厚 4mm，试计算其 相对初始磁导率 解：在磁环上绕 4 匝线圈，测出其电感（用 TH2811C 数字 LCR 电桥在 10kHz 条件 下测量电感）为 53.1μH直接查厂家提供的数据表，查得磁环的有效磁路长度2Le=26.1mm，有效截面积为 11.3mm2如没有这些数据，作为粗略估算，其有效磁路长度 可按外径和内径的平均值计算出圆环的周长来代替，即 Le=π(12+6)/2=9π mm=28.2mm；有 效截面积并非等于由磁环厚度与其外径、内径之差的乘积计算出的实际面积，而应考虑磁 场强度（或磁通密度）沿半径方向内强外弱的线性变化，磁通并非均匀分布，故实际面积 应除以 2，才是其有效面积按这样方法求得的值为 12mm2，与手册表中所给数据差不多， 代入式（2）得： 根据以上计算，上述材料应为 R5K 材料。

目前工厂使用的测量磁导率的仪器，如磁环 参数分选仪 UI9700，仪表指示的不是相对初始磁导率的绝对值，而是它的相对大小 磁性材料的初始磁导率 μi不是固定的，它随温度的变化而变化，如图 1 所示图中 给出的是金宁公司的磁性材料 JP4A（相当于 TDK 的 PC40）的初始磁导率随温度变化的曲 线图 1 （相对）初始磁导率随温度之变化2. 有效磁导率有效磁导率(Effective permeability)e在闭合磁路中，用有效磁导率 μe 来表示磁心的导磁性能：（3） 式中，L 为装有磁心的线圈的电感量（亨利，H） ，N 为线圈的匝数，le 为磁芯的有效磁路长度（mm)，Ae 为磁芯的有效截面积（mm2) ，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m) 显然这里 μe是相对于真空磁导率的比值，也是无量纲的如果在闭合磁路中，磁芯各段截面积不同，此时磁芯的有效磁导率为 3（4） 式中 L 为装有磁芯线圈的自感量（亨） ，N 为线圈匝数， Li 为具有均匀截面积第 部分的磁路长度（mm）i Ai 为该部分的截面积（mm2） 对于一个中心开有气隙长度为 lg 的 E 形磁芯，如忽略磁芯本身的磁阻，认为磁场强度全部 降落在气隙上，则有效磁路长度即等于 lg，式（4）最后一项可去掉∑符号，简单地写作lg/Ae，如此，式（4）将变为 因为空气隙的相对有效磁导率 μe为 1。

以 μe=1，带入上式，由此可得气隙 lg的表达式为：lg=4π•10-10N2•Ae/L (5) 式中，lg 以 mm 为单位，Ae 以 mm2为单位，L 以亨为单位在国外某些公司发表的技术 资料中采用式（5）作为初步估算气隙长度的依据但如果计算出来的气隙不够大，则磁芯 部分不能忽略不计，这个数值是不够准确的 3. 电感因数电感因数(Inductance Factor) 电感因数是指磁芯的单匝电感量一个装有磁心的电感，绕有 N 匝线圈，其电感值为 L，则磁芯的单匝电感量即电感因数 AL，可按下式求得：AL= L/N2 或 L=N2•AL （6）AL 单位为 nH／匝2(有的资料省去分母不写， 简写为 nH)一般取 N=100，测得电感量 L 后，按式（6）计算出 AL值，厂家在其产品手册会给出未磨气隙的每种规格磁芯的 AL值以及有效磁路长度、有效截面积、有效体积等，例如 PC30 材料 EEI3 的 AL值为 1000nH；EE16A 的 AL值为 1100nH；EE25A 的 AL值为 1900nH。

由于磁性材料参数的零 散性，这个数值并不很准确，有+/-（15~25）%的误差我们使用时，一般都磨气隙，由于 有气隙存在，AL值虽然变小了，但是电感因子却相对稳定了，零散性也小了为求得磨气 隙后磁芯的 AL值，我们可以在相应骨架上先绕 100 匝，装上磁心，测得其电感值 L，根据 式（6） ，即可算出开气隙后磁心的 AL值例如 EE25A 中心磨气隙 1.6mm.后，其 AL值降 为 59.6 nH 已知某种型号磁芯的 AL值，要求绕制的磁芯线圈的电感量为 L，可求得所需绕的线圈 的匝数 N（7）电感量和圈数的平方成正比，圈数变化电感量和圈数的平方成正比，圈数变化 1%，电感量大约变化，电感量大约变化 2%在绕制电感时，如 只在小范围内改变电感量时，可按此原则调整、估算圈数 例 2 已知 EE16（中心磨气隙 0.8mm）的 AL值为 46.8 nH/匝2，为绕制 2.8mH 的电感，应绕多少匝数 N?解：根据式（7） ，代入 L 及值，得LA4=== 244NLAL93108 .46108 . 2例 3 已知某电感采用 EE16 磁芯，所绕匝数 N1为 305、电感量 L1为 4.5mH，今欲绕 制的电感为 L2=3.4mH，试求出应绕的匝数 N2 解：由公式（7）知= =1NLAL1 2NLAL2两式相除，得= (8) 2N1N12 LL代入相应值== 265 匝2N3055 . 4 4 . 3所以，已知磁芯的 AL值，对于确定电感所应绕的匝数是很有用的。

4.饱和磁通密度饱和磁通密度(Saturation magnetic flux density) 饱和磁通密度是一个很重要的参数，对镇流器是否能可靠地工作关系很大如所熟知， 当电流（或磁场）增加到某一数值后，磁芯就会饱和，磁通密度不再增加，如图 2 的曲线 所表示的那样此时，磁导率很低，该磁通密度称为饱和磁通密度，以 Bs表示之Bs不是 固定的，随温度的升高而下降，在 80~100°C 下，比室温下低得很多由图 2 可以查出， 在节能灯中常用的 PC30、PC40 材料在 25℃时，Bs=510mT，而在 100℃时，Bs只有 390 mT，下降了 20%多应该指出的是，磁芯工作时允许的磁感应强度要比上述的 390 mT 低 得多，一方面因为在 100℃时接近 300 mT 附近磁芯的磁导率已开始降低，另一方面，如工 作时磁芯的磁感应强度较大，则磁芯损耗亦较大（见图 4） 所以在工程计算中均取 B 为 200~230mT 作为磁芯工作时允许的最大磁感应强度值，远离磁饱和图 2 饱和磁通密度随温度变化曲线 在一体化节能灯或电子镇流器中所用磁性材料，如果由于工作温度升高，则其磁芯的 Bs值下降，造成磁导率及电感量减少，流过电感的电流上升，在电流的峰值附近出现很大5的尖峰，如图 3 所示。

这种情形是很危险的，它会导致电感量进一步减少及电流进一步加 大，最终使电感失磁，L=0，三极管因电流过大、管子结温过高而损坏图 3 电感饱和后电感线圈中的电流波形 5. 磁性材料的功率损耗磁性材料的功率损耗(Power loss of magnetic material) 磁性材料的功率损耗是一个很重要的参数，它反映磁芯工作时发热的程度，损耗大， 发热就厉害带有磁芯的线圈，其功率损耗包括线圈电阻的功率损耗（俗称铜耗）和磁芯 材料的功率损耗（俗称铁耗） 磁芯材料的功率损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三 部分 大家知道，磁芯中磁感应强度 B 的变化滞后于磁场强度 H 的变化，并呈现出封闭的磁 滞回线形状，磁滞损耗的大小与磁滞回线所包围的面积呈正比也与频率成正比 涡流损耗则是由于交变磁通穿过磁芯截面时，在与磁力线相垂直的截面内环绕交变磁 通会产生涡流，涡流亦产生功率损耗它与磁通变化的频率，磁性材料的电阻大小有关 一般磁芯材料的电阻愈大、工作频率愈低，涡流损耗愈小；反之亦然 上述损耗与频率及其工作时的磁感应强度有关，工作频率愈高、磁感应强度愈大，则。