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磁环的使用过程考虑因素

发布时间:2021-09-04 00:08:02  浏览次数: 217

在磁环的使用过程中,有三个主要因素需要考虑,分别是磁性材料、磁环尺寸以及绕线圈数。
1 磁性材料的选择
常见的磁性材料有铁氧体、非晶和金属磁粉芯等。其中,金属磁粉芯在磁环尺寸上受到较大限制,而非晶材料成本略高,因此在对成本把控相对严格的家电产业,大多使用铁氧体作为磁芯材料。
对电磁干扰起到抑制作用的直观原因便是在交变磁场下被磁化后磁环所呈现出的高阻抗特性。为表述磁性材料磁化的难易程度,引入磁导率u,它是随频率而变化的重要参数。一般来说,u=u′-ju″。其中,u′代表磁化过程中储能,反映的是磁环的电抗;u″则代表磁性材料在磁化过程中的损耗,反映的是磁环的电阻,决定了被吸收并转化为热能消耗掉的能力。
磁性抑制元件一般使用锰锌和镍锌两大系列铁氧体。锰锌磁环的相对磁导率较高,低频阻抗较大,高频阻抗较小;镍锌磁环的相对磁导率较低,低频阻抗较小,高频阻抗较大。典型锰锌和典型镍锌铁氧体的磁导率曲线见图2,其中实线和虚线分别代表复磁导率的实部和虚部。
根据材料的特性曲线不难看出,锰锌铁氧体的u′较高,但代表损耗的u″从某频点开始迅速下降,因而其抑制电磁干扰的频率范围较窄;镍锌铁氧体的磁导率下降速度要比锰锌材料慢一些,因而应该频带更宽,且应用频段更高。
2 磁性尺寸的影响
选择单根线穿过磁环作为研究对象,对加载磁环后阻抗Zl进行分析,根据文献:
其中,ω为输入电流的角频率,Le为导体的外电感,μ为材料的复磁导率,μ0为真空磁导率,l为磁环长度,K为磁环的形状系数。可以看出,加载磁环后的阻抗不仅与磁环的材料(磁导率)有关,还与磁环的尺寸和形状密不可分。
对磁环尺寸影响程度的研究可以通过仿真来实现。具体来说,在ANSYS的Maxwell中搭建的磁环绕线模型,并将磁环的长度H、内径R分别作为变量进行参数扫描,仿真模型见图3。其中,H扫描范围为13~17.5 mm,R扫描范围为7.5~12 mm,扫描步长均为0.5 mm,关注阻抗Z随着H与R变化的趋势。
仿真结果中曲线分别代表30 MHz、20 MHz和10 MHz频率下磁环阻抗随着磁环长度及内径变化。
可以看出,磁环的阻抗随着磁环长度的加长而变大,随着内径的增大而变小;并且,阻抗增加的趋势随着频率的增加而表现愈加明显,即在更高的频率,通过增加磁环长度或减小内径来增加磁环阻抗的效果将更加明显。总之,磁环在实际使用时,为获得更大的阻抗,应尽量选用磁环较长、且磁环内经与线径相近的尺寸。
3 绕线圈数的确定
由式(1)可知:
在式(5)中,μ0为自由空间磁导率,一般取常量4π×10-9H/cm;N代表磁环绕线圈数;Ae是有效磁路面积;le是有效磁路长度。
所以,磁环的阻抗与绕线圈数N的平方成正比,从理论上来说,在同一个磁芯上,绕制的圈数越多,呈现的阻抗值越高。然而,圈数增加的同时线间寄生电容也会随之增加,此时,若磁芯材料的电导率较低,整个器件的寄生电容主要由线间寄生电容引起,则其阻抗峰值会向低频移动。更严重的,由于寄生效应,圈数增加的同时甚至会带来阻抗的减小。

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