关于电感值的工程变通计算和测试法

关于电感值的工程变通计算和测试法

简要地介绍了用常规方法计算电感值存在的困难,推导出一种计算电感的公式,从而绕开了对磁材磁性能指标如Bs及μ值的准确了解,而能顺利计算出所需的电感值。

    关键词：电感器  镇流器  滤波器

1 引言

在开发电子镇流器和电子节能灯电感镇流器及电感式节能灯中,常常遇到镇流电感及滤波电感值的计算问题。

但是电感值的计算程式比较繁琐,并且在缺乏必要的磁材参数测量仪器的情况下,要严格按程式计算也是困难的,如果有设计仿真软件当然就容易了。

2 传统的程式设计

例如：要设计40W电子镇流器,电路需要L=1.6mH的电感,试计算磁芯大小、绕线匝数、磁路气隙长度。

首先,计算磁芯截面积,确定磁芯尺寸。

为此,可由式（1）计算出磁芯面积乘积Ap

Ap=(392L×Ip×D2)/ΔBm    (1)

式中：Ap——磁芯面积乘积cm4

L——要求的电感值H

Ip——镇流线圈通过的电流峰值A

ΔBm——脉冲磁感应增量T

D——镇流线圈导线直径mm

根据磁芯面积乘积Ap的计算值在设计手册中选择标准规格磁芯或自行设计磁芯尺寸。

    在此ΔBm一般取饱和磁感强度的1/2～2/3,即：ΔBm=（1/2～2/3）Bs。

Bs在一般磁材手册中都是给定的,可以查找出来,所以,一般说,由式（1）计算磁芯尺寸,并不是难事,难在磁材本身参数的分散性,同一炉磁芯的参数差别有时会很大,手册中给出的Bs—H曲线和参数是统计平均值,所以依据式（1）算出的尺寸,还要在实际使用中反复检验修正。

磁芯尺寸确定以后,计算空气隙（对EI型磁芯就是夹多厚的垫片,对于环型铁芯就是开多宽的间隙）一般是按式（2）计算：

    lg=(0.4πL·I2}/Sp·ΔB2m    (2)

式中：lg——磁芯气隙长度cm

L——所需的电感值H

Ip——线圈中通过的电流峰值A

ΔBm——脉冲磁感应增量T

Sp——磁芯截面积cm2

一般地说,根据式（2）计算气隙大小,也不会太困难。困难仍在于ΔBm值,仅是厂家的统计平均值,对于同一规格的磁芯,不同厂家也是不同的,所以,依据式（2）算出的lg,仅是个大概值,还须在实际中去反复修正,也就是再试凑。

磁芯尺寸确定了,气隙长度也确定了,就可以确定需绕多少匝,才能达到所需的电感值L。

根据L=4μ·N2×10－9×A    (3)

    可得

    式中：N——为所需的绕组匝数

A——磁芯的几何形状参数

要根据式（4）算出匝数,关键是要知道导磁率μ为多少,从厂家给的磁材手册上查,μ值也只是个范围。例如R2K磁芯,其初始导磁率实际上是在1800～2600之间,具体值得靠测量。测量磁参数的仪器,一般工厂是不具备的,于是要根据式（4）计算匝数就比较困难。尤其是在有气隙的条件下,导磁率比无气隙时下降了多少也是未知数。所以依据式（4）计算就更困难。一般是先假设μ,进行计算,算出匝数N,试绕好后测量L能否达到设计值,通常很难达到,则再另设μ值,再计算,这样反复试凑下去,直到接近预定的L值结束。

以上就是根据已知电感量L,求磁芯尺寸,气隙及绕组匝数的通用方法。

如果,设计一种镇流器只计算一个电感值L,采用这种试凑计算也就算了,现在要面对市场,需要种种规格的镇流电感,再这样试凑,不仅时间上拖延了新品的开发进度,试制材料上也浪费很多。当然如果有电感值计算仿真软件,就另当别论。

3 变通算法

根据前面计算出的磁芯尺寸、气隙长度,先绕制一匝数为No的电感,其实测电感值为Lo,则有

Lo=4μNo2×10－9×A    (5)

令式（3）式（5）相除并整理后得：

式中：L——为要求的电感值

No——为已知的匝数

Lo——为已知的匝数下的电感值

这样,对同一参数的磁芯,只要知道L、No、Lo三个参数,即可求出匝数N。

实际制作时我们先在磁芯上绕（环形磁芯可以直接绕,EI型磁芯可在骨架上绕）No=20匝,在电感仪上测出Lo,将此值代入式（6）,即可求出在该磁芯上应绕的匝数N。

间隙的确定：

（1）间隙的作用

图1及图2中的曲线①为无间隙时磁芯的磁化曲线及导磁率μ与B的曲线,图1及图2中的曲线②为有气隙时的相应曲线。

从图1及图2的曲线可看出,同一磁芯开了气隙后,可使B—H曲线斜率降低,使磁芯饱和点右移,从而增加了磁芯抗直流磁化的能力。但气隙的加入,又使导磁率下降,所以气隙有个最佳值,即在电感线圈通过最大峰值电流时,磁芯不进入饱和,同时又不致使导磁率降得太低,因为从式（3）可知,在所需电感量一定时若导磁率降低势必要增加线圈匝数,这是个矛盾。

（2）确定最佳气隙

按该镇流电感所通过的最大电流峰值Ip,利用直流磁化电源,和电感测试仪配套连接,使通入的直流电流达到Ip时,电感量下降不超过零电流时的10％,即认为磁芯已经到达最高Bm值,此时的间隙即为最佳气隙长度。

如果通入Ip时,电感下降值超过10％,说明间隙小了些,可适当再加大点,如果在Ip时,电感不下降,说明间隙片大了点,应适当减小点,这样,边测边改,十几分钟就确定了最佳气隙长度,避免了利用式（2）计算气隙时因Bm值不确定带来的反复试凑的麻烦。

根据上述可归结出电感值计算三步法,即在根据电路要求或灯电参数确定了镇流电感值L后,可按下述三步进行：

①利用式（1）确定磁芯尺寸;

②用直流磁化电源和电感测试仪确定气隙;

③利用公式（6）计算所需的匝数。

当然,这样确定的镇流电感值还要装到电路里进行实验确认。一般只需作简单的匝数修正即可满足设计要求,用这种变通法设计镇流电感,绕开了对磁材磁性能指标如μ及Bs的准确了解,而能顺利设计出需要的电感值。

4 应用效果

（1）我们在开发研制出的许多系列节能灯产品中所用的镇流器电感,都是按上述三步法设计的,效果良好。

（2）利用变通计算法在已知产品的电感值,磁芯尺寸及间隙厚度条件下,反求其绕线的匝数。

当有的电感绕组不能用测圈仪测量其匝数时,只好一圈一圈拆计数,对EI型磁芯还好拆,对于环形铁芯拆起来较困难,尤其是小环、线细、匝数多的情况,现在利用变通算法,只要设法在原电感上绕20～30匝线,再测出新绕电感值Lo代入式（6）即可求出该电感的实际匝数。

（3）利用变通计算法控制环形铁芯电感量的一致性。

在铁芯卷绕及加工间隙时,由于 *** 作工艺上的问题,会造成间隙厚度和形状不一致,这样,如按固定的匝数进行绕制,势必造成各个环形电感值的很大差异,不符合设计要求。

为解决这个问题,一般采用宁肯多绕几圈的办法,在测量电感值时,再把多余的圈数拆掉（当然拆几圈比增加几圈简单一些）

我们在开始生产250W钠灯镇流器时,唯恐绕好后有的电感量不够,就宁肯多绕十几匝,结果逐个检测电感量时,发现有的电感量基本接近设计值,而有的多绕了十几匝,只好一个个地拆掉多余的匝数,浪费了铜线也费了工时。

为此,我们专门设计了一个工装,用此工装结合LCR测试仪可直接对每个铁芯进行Lo的测量,并用标签贴在铁芯上。工装的No为30匝,测量一个批量后,用公式（6）计算,即知同一L值的铁芯上应绕的匝数。

对于某一功率的镇流器,L是已知的,如250W钠灯镇流电感,L一般为190mH左右,则：

    这就把一个较复杂的计算问题简化,交由生产线工人来 *** 作。