關(guān)于電感值的工程變通計(jì)算和測(cè)試法

關(guān)于電感值的工程變通計(jì)算和測(cè)試法

1引言

在開發(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)流線圈通過的電流峰值A(chǔ)

ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量T

D——鎮(zhèn)流線圈導(dǎo)線直徑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=（）Bs。

Bs在一般磁材手冊(cè)中都是給定的，可以查找出來，所以，一般說，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)型鐵芯就是開多寬的間隙）一般是按式（2）計(jì)算：lg=(2)

式中：lg——磁芯氣隙長(zhǎng)度cm

L——所需的電感值H

Ip——線圈中通過的電流峰值A(chǔ)

ΔBm——脈沖磁感應(yīng)增量T

Sp——磁芯截面積cm2

一般地說，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N=(4)

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：N==No（6）

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①為無間隙時(shí)磁芯的磁化曲線及導(dǎo)磁率μ與B的曲線，圖1及圖2中的曲線②為有氣隙時(shí)的相應(yīng)曲線。

從圖1及圖2的曲線可看出，同一磁芯開了氣隙后，可使B—H曲線斜率降低，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，即在電感線圈通過最大峰值電流時(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10％，說明間隙小了些，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)修正即可滿足設(shè)計(jì)要求，用這種變通法設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流電感，繞開了對(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_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)形鐵芯拆起來較困難，尤其是小環(huán)、線細(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，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)形電感值的很大差如果您平日對(duì)來自華爾街的信息有所關(guān)注的話，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)新年伊始，各大頂級(jí)投資銀行普遍調(diào)低了今年全球及各主要國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率預(yù)期指標(biāo)。以美林集團(tuán)（MerrillLynch＆Co.)2000年12月公布的2001年全球經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)報(bào)告為例；全球GDP增長(zhǎng)預(yù)計(jì)值由2000年的4?2％降至2001年的3?1％，其中美國(guó)降幅最大，由2000年的5?1％降為3?3％，歐盟由3?5％降為2?8％；日本由1?8％降至1?4％。全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩的一個(gè)顯著特征將是各主要國(guó)際市場(chǎng)的需求收縮，消費(fèi)減弱，貿(mào)易額降低。而對(duì)今年即將入世的中國(guó)企業(yè)特別是出口企業(yè)來說，要想在低迷的大環(huán)境中創(chuàng)出佳績(jī)，為自己在世界經(jīng)濟(jì)體中的正式登臺(tái)亮相博個(gè)頭彩，采用基于互聯(lián)網(wǎng)的電子化貿(mào)易方式將是不可或缺的解決之道。

現(xiàn)在讓我們從另一個(gè)角度來看看為什么電子貿(mào)易是保證今后我國(guó)在國(guó)際貿(mào)易領(lǐng)域良性發(fā)展的必要手段。據(jù)投資銀行摩根士丹利（MorganStanleyDeanWitter)2001年1月出具的全球技術(shù)、新媒體及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用趨勢(shì)報(bào)告顯示：在新世紀(jì)第一年，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶及應(yīng)用將繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶將增長(zhǎng)27％，達(dá)到3億6千5百萬，并且在今后3年內(nèi)將保持至少23％的年增長(zhǎng)率。而中國(guó)最主要的貿(mào)易伙伴的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增長(zhǎng)率分別為：美國(guó)18％，日本39％，西歐26％，亞洲（除日本外）32％。同時(shí)，在今后10年，發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是美國(guó)的GDP增長(zhǎng)將主要來自電子商務(wù)和貿(mào)易的拉動(dòng)作用。例如今年，美國(guó)的電子貿(mào)易額將占到其GDP的4％左右。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在這些主要貿(mào)易伙伴的經(jīng)濟(jì)生活中的比重日益增強(qiáng)，其貿(mào)易方式、政策和對(duì)合作方的要求也會(huì)快速向網(wǎng)絡(luò)化、電子化的方向轉(zhuǎn)變。對(duì)中國(guó)企業(yè)來說，已經(jīng)不是是否要走電子貿(mào)易之路的問題，而是我們要在這條路上走多快，能夠走多快的問題。

好在從我國(guó)自身發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)及電子貿(mào)易的形勢(shì)來看，我們有著充足的潛力和機(jī)會(huì)。我們相信，今年將是中國(guó)國(guó)際貿(mào)易真正在網(wǎng)絡(luò)電子化道路上追趕并進(jìn)入世界第一梯隊(duì)的一年。我們也有充分的信心在低沉的全球氛圍中讓中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展奏出一段亮麗的樂章。

圖1磁性材料的磁化曲線

圖2磁性材料的導(dǎo)磁率與交流磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系

異，不符合設(shè)計(jì)要求。

為解決這個(gè)問題，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_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)了銅線也費(fèi)了工時(shí)。

為此，我們專門設(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)算問題簡(jiǎn)化，交由生產(chǎn)線工人來操作。