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    鐵芯氣隙與漏感之間的關系

    作者:威博特鐵芯   發布時間:2019-03-30 15:05:20 瀏覽次數:
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        鐵芯飽和就相當于變壓器的一次側是個空心線圈(相當于短路),它的電流會很大,一直上升到燒壞變壓器或者保險管為止。 
        鐵芯氣隙是鐵芯空氣間隙的簡稱,一般硅鋼的鐵芯不是一個整體的閉合體,在鐵芯對接口處有意無意留下的間隙就是鐵芯氣隙,所以人們不需要鐵芯氣隙時可以采用環型變壓器,用到氣隙時就故意加大對接的缺口,或在缺口處墊非導磁材料,如高溫紙。 
        高頻變壓器才開氣隙,是為了防止鐵芯磁飽合,因為UPS中有高次詣波,所以要開氣隙,但變壓器開氣隙的原理和電感是不一樣的。變壓器都是硅鋼片拼成的,兩個對著的硅鋼片之間的間隙叫氣隙。氣隙大了當然磁阻就大了。變壓器留氣隙是為了防止在工作中產生磁飽和!氣隙是在鐵芯交合處留的縫隙!和繞線無關。有了氣隙的確是增加了磁阻,但卻是有益的!氣隙的作用是減小磁導率,使線潿特性較少地依賴于磁芯材料的起始磁導率。氣隙可以避免在交流大信號或直流偏置下的磁飽和現象,更好地控制電感量。然而,在氣隙降低磁導率的情況下要求線圈圈數較多,相關的銅損也增加,所以需要適當的折中。 
        一般反激式電源,在氣隙較小時,氣隙越小,功率越小,氣隙越大,功率越大,一般氣隙能調到滿足輸出功率即可,當然任何條件下不能進入飽和區,即輸入電流不能出現上沖現象。在磨氣隙時,可用一小條水沙紙(加水磨速度較快較平),底下墊玻璃,要氣隙大就磨中間,想減小點氣隙就磨兩邊。 
        反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數,由于反激電源需要變壓器儲存能量,要使變壓器鐵芯得到充分利用,一般都要在磁路中開氣隙,其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率,使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊,而不至于鐵芯進入飽和非線形狀態,磁路中氣隙處于高磁阻狀態,在磁路中產生漏磁遠大于完全閉合磁路。
        變壓器初次極間的耦合,也是確定漏感的關鍵因素,要盡量使初次極線圈靠近,可采用三明治繞法,但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。 
        反激電源變壓器磁芯工作在單向磁化狀態,所以磁路需要開氣隙,類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為:由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B),現在的生產工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X 軸向傾斜,在同樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則相當于磁心儲存更多的能量,此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯開氣隙有兩個作用,其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進入飽和狀態。
        反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態,不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導致電源損壞。 
        當在變壓器鐵芯中留有氣隙時,由于空氣的導磁率只有鐵芯導磁率的幾千分之一,磁動勢幾乎都降在氣隙上面。因此,留有氣隙的變壓器鐵芯,其平均導磁率將會大大下降;不但剩余磁通密度會降低,而且磁通密度Bm可以達到飽和磁通密度Bs,從而使磁通增量增大,變壓器鐵芯不再容易出現磁飽和。

        加氣隙: 
        1.減小了電感;
        2.激磁電流增大; 
        3.降低Br; 
        4.增加儲能能力,抗飽和好(Le大大增加,同樣的NI對應的B小很多)。
        開氣隙后,由于漏感的增加,次級線圈所包圍的磁鏈是減少的。其實根本的問題是兩個,一:勵磁電流與輸出電流并聯,勵磁電流的增大即意味著效率的降低;二:漏感增加,這個的危害就不說了。(待考證) 
        漏感的原因會導致初次級線圈的磁通無法完全抵消,時間長了會導致磁芯磁化,所以大功率的正激是需要加一點氣隙好讓變壓器直流成分都到氣隙里。這個磁通不完全抵消的理論我也是聽說的,覺得有道理。

        正激在勵磁的同時傳遞能量,勵磁搭建能量傳遞的平臺,勵磁電流在關斷期間回饋能量給電源或被消耗掉進行磁復位,勵磁電流越小激磁能量就越小,激磁損耗也越小。加氣隙后磁阻增大,磁芯中能夠儲備的磁能增大,磁芯剩磁Br也會減小,deltB(Bs-Br)增大,開關管導通期延長時不易發生磁飽和,但勵磁電流和漏感均會增大。
        工作頻率較低時,可加微量的氣隙,這時不易發生磁飽和,deltB增大,線圈匝數可以減少,銅損減少,但要注意磁復位和關斷期間的尖峰高壓。
        工作頻率很高時,單位時間內磁芯中的磁能變化很大,磁芯損耗急劇增大,設計時磁芯的deltB的取值必須減小,這時Bs和Br不是限制因子,同時由于匝數已很少,沒有必要加氣隙增大漏感和勵磁電流。 
        1.儲能用的好加一點氣隙,大幅提高其承受直流磁場偏置的能力;
        2.對于某些應用場合,非儲能變壓器不用開氣隙,直接把窗口面積繞滿;但通常受到體積、成本的限制,我們總是用盡可能小的磁芯出盡可能大的功率,此時也開一點氣隙,這樣磁場強度小幅擾動時不容易發生飽和現象;
        3.電流產生磁場,磁場傳遞能量或者儲存能量,功率的傳遞過程:電能-磁能-電能。 
        一般,氣隙小可能導致變壓器飽和;氣隙大,將使整個電源負載特性變軟,空載和滿載輸出電壓變化變大,另外紋波尤其是毛刺加大。 
        磁芯的磁導率遠大于空氣,根據H=B/u可以看出,u越小磁場強度H越強,而磁芯存儲的能量與H成正比,W=VuH²/2,V是體積,u磁導率,所以說氣隙存儲了大部分的能量。 
        磁滯回線中的H是原邊勵磁電流所產生的磁場強度H(Io)和原邊抗副邊電流所產生的H(I1)及副也電流所產生的H(I2)的矢量和。即H=H(Io)+H(I1)+H(I2)的矢量和,而H(I1)=-H(I2),即H=H(Io),所以磁滯回線中的H為H(Io),那么它所對應的電流是Io,而不是Io+I1。 
        加氣隙提高飽和N*I,變壓器大部分能量存儲在氣隙中,氣隙越大,變壓器能存儲的能量越大,故不容易飽和,變壓器磁芯儲能能力       E=0.5*B*V*H.,加入氣隙后,H是磁芯和空氣部分等效He。
        空心線圈永不飽和,故加入氣隙后,整個磁路具有一點空氣特性。飽和磁通密度仍然為磁芯材料的飽和磁通密度。但是,變壓器能承受更多能量(在氣隙中占大部分)。

        氣隙越大,線圈中雜散磁場越強,導致渦流越大,損耗就大! 
        可近似認為有氣隙鐵心的磁阻都集中在氣隙中:
    Rm≈δ/μ*Ac           (1) 
    其中μ=4*π*10^(-7) (H/m)——真空導磁率;δ——氣隙厚(m);Ac——氣隙面積(m^2)  磁阻的倒數為磁導,或稱每圈電感.所以有氣隙鐵心的電感量為:  L=μ*Ac*N*N/δ (H)     (2) 
    另一方面,電感為單位電流產生的磁鏈,
    L=ψ/I =N*Bm*Ac/Im (H)       (3) 
    (Bm Im分別為磁密(T)與電流(A) ) 
    所以,聯立(2)、(3)式有 
    δ=1000*μ*N*Im/Bm (mm) (4) 
    使用(4)式注意,
        1)全部使用國際單位制;
        2) (4)式為磁路氣隙之和,例如墊紙片形成氣隙時,紙片厚度為(4)式的一半;
        3)因(1)式略去了鐵心磁阻,故(2)式的計算結果略微偏大。 
        為什么電抗器氣隙越大,電感越???電感和阻抗成正比關系么?
        線圈的電感量是與磁路的磁導率u成正比的,氣隙越大,磁路的磁阻越大,也就是說磁導率降低了,所以電感量就小了。電感的感抗 X = 2 * ∏ * f *L所以感抗X與電感量L成正比。
        為什么說磁導率降低了,所以電感量就???
        磁導率是磁阻的倒數,磁阻大了,磁導率就小了。
        那和電感量有什么關系呢?
        線圈的電感量是與磁路的磁導率u成正比的。




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