非晶與超微晶材料的應(yīng)用

磁材料120×60×40磁芯。按照

E=4．44f×Bm×N×Sc×10－4（1）

式中：Bm——工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，一般選在Bs/2處較

合適，既Bm選0．8T；

E——交流輸入電壓，V；

N——初級(jí)匝數(shù)；

f——交流輸入電壓頻率，Hz；

Sc——磁芯有效截面積，cm2。

又因?yàn)?/P>

Sc=（1／2）×D×（R－r）×h（2）

式中：D——磁芯的占空系數(shù)，一般取0.65；

R——磁芯的外環(huán)直徑，cm；

r——磁芯的內(nèi)環(huán)直徑，cm；

h——磁芯的高度，cm。

所以Sc=(1／2)×D×（R－r）×h

=(1／2)×0．65×（12－6）×4

=7．8cm2

由式（1）可得:N==

=198匝

考慮銅損，N選200匝。

2）驗(yàn)證

為了驗(yàn)證N=200匝時(shí)，磁導(dǎo)率μe是否在磁芯材料參數(shù)的范圍之內(nèi)，可利用式（3）N=104×（3）

式中：L——初級(jí)電感量，H；

lc——磁芯的平均磁路長(zhǎng)度，cm。

因?yàn)?/P>

lc=1.57×(D＋d)=1.57×(12＋6)=28.26cm

L的計(jì)算如下:

在未繞成變壓器之前,初級(jí)電感量是不能測(cè)出的,但可以由式（4）推算出。=（4）

即可以先繞N1=10匝,測(cè)得L1=13mH，于是N=200匝時(shí)可得到L=L1×=13×=5.2H

由式（3）可得μe=×108=×108

=4×104

μe滿足μi=8×104的要求。說(shuō)明變壓器初級(jí)匝數(shù)設(shè)計(jì)合理。

次級(jí)匝數(shù)可由電壓與匝數(shù)的變比求出，這里不再累述。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，這一理論計(jì)算可以帶起1kW負(fù)載，工作穩(wěn)定可靠。

3）設(shè)計(jì)時(shí)注意點(diǎn)

①Bm不能選的過(guò)高由于磁芯參數(shù)的分散性，使得在相同匝數(shù)下的電感量有差異,而且相差較多,若Bm取得太高,容易使磁芯飽和。 ②怎樣判斷磁芯已進(jìn)入飽和?

——在淺飽和狀態(tài)下，增加初級(jí)電壓,次級(jí)電壓不增加,增加的能量全部被磁芯損耗掉；負(fù)載加重后,輸出電壓迅速下跌,負(fù)載能力下降，能量被磁芯損耗。

——在深飽和狀態(tài)下，初級(jí)電壓加不到220V磁芯就很燙,而且初級(jí)電壓再升高,次級(jí)電壓也不變,能量全部被磁芯損耗。

3開(kāi)關(guān)電源用磁芯

3．1單端式變換器用磁芯

單端式變換器主要要求磁芯剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度低，即Br/Bs較小。

采用鐵基超微晶低剩磁(Br/Bs≤0.2)材料的磁芯，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1.2T，剩磁Br<0.2T,初始磁導(dǎo)率μi>2×104，最大磁導(dǎo)率μm=5×104，損耗P0.35（10kHz）<18W/kg。

這是因?yàn)閱味耸阶儞Q器磁芯工作在磁滯回線的第一象限,對(duì)材料的要求是具有大的ΔB(ΔB=Bm－Br)，鐵基超微晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1.2T,它無(wú)論經(jīng)過(guò)怎樣的磁場(chǎng)處理,都是不會(huì)變的,所以要使ΔB增大,只有采用低Br的磁芯。特別對(duì)于單端反激主變壓器,要求有足夠的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm和合適的磁導(dǎo)率。因?yàn)閱味朔醇る娐分械闹髯儔浩饕髢?chǔ)能,線圈儲(chǔ)能的多少取決于兩個(gè)因素:一是材料的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Be或電感量L；另一個(gè)是工作磁場(chǎng)Hm或工作電流I。儲(chǔ)能W=LI2,在一定的電流下,磁芯不能飽和。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm由材料決定,低Br的磁芯利于恒磁導(dǎo),使磁芯在一定的電流下不飽和。

3．2全橋、半橋、推挽式變換器用磁芯

對(duì)于這種雙端式變換器主要要求磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm高。

雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低（<15kHz），頻率高時(shí)，損耗增加，所以對(duì)于幾百kHz以上的逆變電源是不適用的。而采用鐵基超微晶中剩磁(Br/Bs≤0.6)材料的磁芯。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1.2T,初始磁導(dǎo)率μi>8×104，最大磁導(dǎo)率μm=45×104。損耗P0.3/(100kHz)<300W/kg，工作頻率高。

因?yàn)槿珮?、半橋、推挽式變換器中的變壓器工作在雙端,對(duì)Br的要求不是很?chē)?yán)格,它需要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯,當(dāng)電源功率較大時(shí)，容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。為此，對(duì)于中、大功率的開(kāi)關(guān)電源，可采用中Br磁芯，這樣還可使變壓器有一定的電感量。特別對(duì)于諧振電源，一定的變壓器電感可充當(dāng)諧振電感，使全橋、半橋、推挽式電路產(chǎn)生諧振，達(dá)到ZVS或ZCS軟開(kāi)關(guān)的作用。

但對(duì)于有的大功率的開(kāi)關(guān)電源,為防止偏磁,也采用低剩磁(低Br)磁芯。

3扼流圈用磁芯

扼流圈用磁芯要求有一定的儲(chǔ)能，所以要采用低剩磁，橫磁導(dǎo)率的材料。

采用鐵基非晶低剩磁(低Br)材料磁芯，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1.5T,剩磁Br<0.1T,恒磁導(dǎo)率250～1200。

扼流圈是阻止交流成份,只讓直流通過(guò)的電感元件，所以直流電流和交流電流加在磁芯上時(shí)的磁特性,即直流偏磁特性是很重要的。具體地說(shuō)，電感值應(yīng)使得直流電流不易讓磁芯飽和,而對(duì)于交流成分確是足夠大的。為此作為材料特性,需要高飽和磁通密度Bm，磁導(dǎo)率恒定。

下面就幾種材料的特性做一下對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

表1幾種材料的特性對(duì)比材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度/T磁導(dǎo)率損耗/W/kg
鐵基非晶扼流圈1.5250～1200P0.05(2kHz)<1.5
坡莫合金0.75根據(jù)形狀和加氣隙的不同而不同P0.5(2kHz)<25
硅鋼片2P1.0(1kHz)<20
鐵氧體0.4P1.0(1kHz)<7.5
非晶扼流圈與坡莫合金、硅鋼片、鐵氧體相比可以提高工作頻率、增強(qiáng)耐直流電流的能力、高溫時(shí)仍保持高飽和磁通密度、降低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

4非晶飽和磁芯

飽和磁芯主要是把磁芯當(dāng)作一個(gè)“磁開(kāi)關(guān)”，當(dāng)磁芯不飽和時(shí)，電感很大，相當(dāng)于磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)磁芯完全飽和時(shí)，電感很小，相當(dāng)于磁開(kāi)關(guān)短路。

采用鈷基非晶合金磁芯，它具有高磁導(dǎo)率,低矯頑力,高矩比(Bs/Br),低損耗等特點(diǎn)。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=0.5～0.8T,矯頑力HC<2A/m。

1）自飽和電抗器

自飽和電抗器是希望磁芯做一個(gè)反應(yīng)很快的開(kāi)關(guān),有一點(diǎn)電流就使磁芯很快飽和。所以應(yīng)采用高剩磁(高Br)材料,初始磁導(dǎo)率μi>5×104,最大磁導(dǎo)率μm>25×104,損耗P0.5(20kHz)<35W/kg。主要用于消除開(kāi)關(guān)電源的二次寄生振蕩、消除尖峰等。

2）可飽和電抗器

可飽和電抗器是利用了磁芯未飽和與飽和后磁導(dǎo)率間的巨大差異來(lái)延遲電流以得到一段預(yù)置時(shí)間。這時(shí)可以將脈沖變壓器傳輸過(guò)來(lái)的脈沖進(jìn)行壓縮,根據(jù)電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)脈寬,從而可改變輸出電壓。利用可飽和電抗器的這一特點(diǎn),就可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)節(jié)。因?yàn)椴捎靡话愕拿}寬調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源只能對(duì)一組輸出進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié),改變輸出電壓，而不能做到幾路輸出電壓都可調(diào),利用可飽和電抗器,通過(guò)用電位器控制各輸出電路的電流來(lái)改變各電路的脈寬,從而實(shí)現(xiàn)多路調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在國(guó)外已做出了通過(guò)電位器使十幾路輸出都可調(diào)節(jié)的電路。

所以可飽和電抗器應(yīng)根據(jù)電流的大小和輸出脈寬壓縮情況來(lái)選擇磁芯。例如需要大電流下還有一定脈沖壓縮的，應(yīng)使用低剩磁(低Br)磁芯.總之要具體問(wèn)題具體分析。

參考文獻(xiàn)

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