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铁芯气隙与漏感之间的关系

作者:威博特铁芯   发布时间:2016-08-03 20:27      浏览次数:69
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    铁芯饱和就相当于变压器的一次侧是个空心线圈(相当于短路),它的电流会很大,一直上升到烧坏变压器或者保险管为止。 
    铁芯气隙是铁芯空气间隙的简称,一般硅钢的铁芯不是一个整体的闭合体,在铁芯对接口处有意无意留下的间隙就是铁芯气隙,所以人们不需要铁芯气隙时可以采用环型变压器,用到气隙时就故意加大对接的缺口,或在缺口处垫非导磁材料,如高温纸。 
    高频变压器才开气隙,是为了防止铁芯磁饱合,因为UPS中有高次诣波,所以要开气隙,但变压器开气隙的原理和电感是不一样的。变压器都是硅钢片拼成的,两个对着的硅钢片之间的间隙叫气隙。气隙大了当然磁阻就大了。变压器留气隙是为了防止在工作中产生磁饱和!气隙是在铁芯交合处留的缝隙!和绕线无关。有了气隙的确是增加了磁阻,但却是有益的!气隙的作用是减小磁导率,使线涠特性较少地依赖于磁芯材料的起始磁导率。气隙可以避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象,更好地控制电感量。然而,在气隙降低磁导率的情况下要求线圈圈数较多,相关的铜损也增加,所以需要适当的折中。 
    一般反激式电源,在气隙较小时,气隙越小,功率越小,气隙越大,功率越大,一般气隙能调到满足最大输出功率即可,当然任何条件下不能进入饱和区,即输入电流不能出现上冲现象。在磨气隙时,可用一小条水沙纸(加水磨速度较快较平),底下垫玻璃,要气隙大就磨中间,想减小点气隙就磨两边。 
    反激电源变压器漏感是一个非常关键的参数,由于反激电源需要变压器储存能量,要使变压器铁芯得到充分利用,一般都要在磁路中开气隙,其目的是改变铁芯磁滞回线的斜率,使变压器能够承受大的脉冲电流冲击,而不至于铁芯进入饱和非线形状态,磁路中气隙处于高磁阻状态,在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。
    变压器初次极间的耦合,也是确定漏感的关键因素,要尽量使初次极线圈靠近,可采用三明治绕法,但这样会使变压器分布电容增大。选用铁芯尽量用窗口比较长的磁芯,可减小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。 
    反激电源变压器磁芯工作在单向磁化状态,所以磁路需要开气隙,类似于脉动直流电感器。部分磁路通过空气缝隙耦合。为什么开气隙的原理本人理解为:由于功率铁氧体也具有近似于矩形的工作特性曲线(磁滞回线),在工作特性曲线上Y轴表示磁感应强度(B),现在的生产工艺一般饱和点在400mT以上,一般此值在设计中取值应该在200-300mT比较合适、X轴表示磁场强度(H)此值与磁化电流强度成比例关系。磁路开气隙相当于把磁体磁滞回线向X 轴向倾斜,在同样的磁感应强度下,可承受更大的磁化电流,则相当于磁心储存更多的能量,此能量在开关管截止时通过变压器次级泻放到负载电路,反激电源磁芯开气隙有两个作用,其一是传递更多能量,其二防止磁芯进入饱和状态。
    反激电源的变压器工作在单向磁化状态,不仅要通过磁耦合传递能量,还担负电压变换输入输出隔离的多重作用。所以气隙的处理需要非常小心,气隙太大可使漏感变大,磁滞损耗增加,铁损、铜损增大,影响电源的整机性能。气隙太小有可能使变压器磁芯饱和,导致电源损坏。 
    当在变压器铁芯中留有气隙时,由于空气的导磁率只有铁芯导磁率的几千分之一,磁动势几乎都降在气隙上面。因此,留有气隙的变压器铁芯,其平均导磁率将会大大下降;不但剩余磁通密度会降低,而且最大磁通密度Bm可以达到饱和磁通密度Bs,从而使磁通增量增大,变压器铁芯不再容易出现磁饱和。

    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)。
    开气隙后,由于漏感的增加,次级线圈所包围的磁链是减少的。其实最根本的问题是两个,一:励磁电流与输出电流并联,励磁电流的增大即意味着效率的降低;二:漏感增加,这个的危害就不说了。(待考证) 
    漏感的原因会导致初次级线圈的磁通无法完全抵消,时间长了会导致磁芯磁化,所以大功率的正激是需要加一点气隙好让变压器直流成分都到气隙里。这个磁通不完全抵消的理论我也是听说的,觉得有道理。

    正激在励磁的同时传递能量,励磁搭建能量传递的平台,励磁电流在关断期间回馈能量给电源或被消耗掉进行磁复位,励磁电流越小激磁能量就越小,激磁损耗也越小。加气隙后磁阻增大,磁芯中能够储备的磁能增大,磁芯剩磁Br也会减小,deltB(Bs-Br)增大,开关管导通期延长时不易发生磁饱和,但励磁电流和漏感均会增大。
    工作频率较低时,可加微量的气隙,这时不易发生磁饱和,deltB增大,线圈匝数可以减少,铜损减少,但要注意磁复位和关断期间的尖峰高压。
    工作频率很高时,单位时间内磁芯中的磁能变化很大,磁芯损耗急剧增大,设计时磁芯的deltB的取值必须减小,这时Bs和Br不是限制因子,同时由于匝数已很少,没有必要加气隙增大漏感和励磁电流。 
    1.储能用的最好加一点气隙,大幅提高其承受直流磁场偏置的能力;
    2.对于某些应用场合,非储能变压器不用开气隙,直接把窗口面积绕满;但通常受到体积、成本的限制,我们总是用尽可能小的磁芯出尽可能大的功率,此时最好也开一点气隙,这样磁场强度小幅扰动时不容易发生饱和现象;
    3.电流产生磁场,磁场传递能量或者储存能量,功率的传递过程:电能-磁能-电能。 
    一般,气隙小可能导致变压器饱和;气隙大,将使整个电源负载特性变软,空载和满载输出电压变化变大,另外纹波尤其是毛刺加大。 
    磁芯的磁导率远大于空气,根据H=B/u可以看出,u越小磁场强度H越强,而磁芯存储的能量与H成正比,W=VuH²/2,V是体积,u磁导率,所以说气隙存储了大部分的能量。 
    磁滞回线中的H是原边励磁电流所产生的磁场強度H(Io)和原边抗副边电流所产生的H(I1)及副也电流所产生的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),所以磁滞回线中的H为H(Io),那么它所对应的电流是Io,而不是Io+I1。 
    加气隙提高饱和N*I,变压器大部分能量存储在气隙中,气隙越大,变压器能存储的能量越大,故不容易饱和,变压器磁芯储能能力       E=0.5*B*V*H.,加入气隙后,H是磁芯和空气部分等效He。
    空心线圈永不饱和,故加入气隙后,整个磁路具有一点空气特性。饱和磁通密度仍然为磁芯材料的饱和磁通密度。但是,变压器能承受更多能量(在气隙中占大部分)。

    气隙越大,线圈中雜散磁场越强,导致涡流越大,损耗就大! 
    可近似认为有气隙铁心的磁阻都集中在气隙中:
Rm≈δ/μ*Ac           (1) 
其中μ=4*π*10^(-7) (H/m)——真空导磁率;δ——气隙厚(m);Ac——气隙面积(m^2)  磁阻的倒数为磁导,或称每圈电感.所以有气隙铁心的电感量为:  L=μ*Ac*N*N/δ (H)     (2) 
另一方面,电感为单位电流产生的磁链,
L=ψ/I =N*Bm*Ac/Im (H)       (3) 
(Bm Im分别为最大磁密(T)与最大电流(A) ) 
所以,联立(2)、(3)式有 
δ=1000*μ*N*Im/Bm (mm) (4) 
使用(4)式注意,
    1)全部使用国际单位制;
    2) (4)式为磁路气隙之和,例如垫纸片形成气隙时,纸片厚度为(4)式的一半;
    3)因(1)式略去了铁心磁阻,故(2)式的计算结果略微偏大。 
    为什么电抗器气隙越大,电感越小?电感和阻抗成正比关系么?
    线圈的电感量是与磁路的磁导率u成正比的,气隙越大,磁路的磁阻越大,也就是说磁导率降低了,所以电感量就小了。电感的感抗 X = 2 * ∏ * f *L所以感抗X与电感量L成正比。
    为什么说磁导率降低了,所以电感量就小?
    磁导率是磁阻的倒数,磁阻大了,磁导率就小了。
    那和电感量有什么关系呢?
    线圈的电感量是与磁路的磁导率u成正比的。