气隙对电感器频率特性的影响
2007-01-09 09:57:48
来源：《国际电子变压器》2007年1月刊
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1引言
在开发电感镇流器和其它感抗器件中，为了避免磁心工作在饱和状态，就设法给磁心开适当的气隙，使剩磁减少，饱和磁通增量△B增加。这是业内人士熟知的事。另外，在开发一种工作频率范围为120HZ到20KHZ，峰值电流为20A的电抗器中，我们发现，给磁心开适当的气隙，还可以改善电感器的频率特性。即当频率从120HZ变化到20KHZ时，电感值的变化仍能满足使用要求。下面我把有关试验记录整理出来进行对比分析。另外，还摘录了一些磁材的特性曲线和数据，对磁材的磁导率μ与频率的关系，以及气隙对磁导率的影响作进一步的说明，不妥之处，请业内专家批评指正。
2气隙对电感器频率特性的影响（实验数据）
2.1气隙对非晶合金磁心频率特性的影响
为了满足该电感器在120HZ到20KHZ范围内，均能正常工作，我们自然想到了用非晶合金取代硅钢片，因为前者比后者薄，并且电阻率高，矫顽力小，所以高频损耗前者比后者低得多。但用非晶作成的电感器，其电感值，在120HZ到20KHZ频率范围内，会是怎样变化呢？我们作了测试记录。（见表1）
从表1看出，未开气隙，当频率从120HZ变到20KHZ时，电感值变化约77%。
从表2看出，开适当气隙后，当频率从120HZ变到20KHZ时，电感值变化约17%。
并且，当叠加直流从零增加到20A时，电感器的电感值虽然在下降，但其随频率的变化率一样都为17%。
2.2气隙对铁粉心电感器频率特性的影响
从表3看出，铁粉心未开气隙，当频率从120HZ变化到20KHZ时，（叠加直流从0A到20A）电感值变化7.2% ~15.3%。
从表4看出，开气隙后，当频率从120HZ变化到20KHZ时，（叠加直流从0A到20A）电感值变化为23.9 ~31%。
从表3和表4得知，同一铁粉心，开气隙后，频率特性变差了，所以铁粉心在使用中不宜开气隙。
2.3气隙长短，对薄硅钢片磁心频率特性的影响
从表5和表6看出，气隙开2mm，电感变化率为30%，而气隙开4mm，电感变化率约为21%。所以，对同一尺寸的硅钢卷铁心，开适当气隙可以改善频率特性。
3磁材的磁导率与频率的关系
3.1曲线图
在一般的磁材产品目录中都有初始磁导率与频率的关系曲线μi~f。这里摘录几个不同厂家的不同规格磁材的μi~f曲线进行对比分析，见图1、图2、图3、图4和图5。
从图1看出：从磁导率来看，磁材2H07＞2H06＞2H04＞2H03，但从工作频率高低看，2H03＞2H04＞2H06＞2H07。
图2和图3的情况类似，初始磁导率μi比较高的，其工作频率就比较低，反之，初始磁导率μi比较低的，磁材其工作频率就比较高。
图4和图5为铁粉心的磁导率μ与工作频率的关系。
我们知道，铁粉心属于由软磁材料组成的一种磁心结构。不能算作软磁材料。它是把合金材料先研磨成细粉，再同绝缘粉料按比例混合，把合金粉粒彼此隔离开，增加电阻率，另外绝缘粉料相当于分布气隙。
从图4及图5也可看出，磁导率高的粉心，其工作频率就比较低些。磁导率μ较低的，其工作频率就高些。同时，还可以看出，铁粉心的磁导率μ比其它软磁材料的μ低（这是分布气隙的作用）而其工作频率则比较高，特性曲线较平直。
3.2数据表格
对同一种磁材，其等效磁导率μe降低，其工作频率就升高。参看表7和表8。
4磁材的成分及加工工艺对磁导率的影响（见表9和图6）
从表8及表9可知，磁导率高的磁材其工作频率低，磁导率低的磁材其工作频率高，与磁材的厚度无关。
Fe2O3含量对磁材起始磁导率μi及其频率特性的影响示于图6：
起始磁导率μi绝对值，随Fe2O3含量的增加而下降，相应地，磁材的共振频率则向高频端偏移。
5电感L、磁导率μ、气隙lg及自然频率f之间的关系
下面，对上述试验数据及所列图表进行综合分析。
我们知道，任何电感电容回路的自然频率
(1)
F—自然频率（也叫谐振频率:单位HZ）
L—器件的电感量（集中或分布参数:单位H）
C—器件的电容量(集中或分布参数:单位法拉(F)
电感值与电容值的乘积越小，其自然频率越高。
又知道：
(2)
L——材料的自感量：单位H
μr——磁材的相对磁导率
Sc——磁心的截面积：单位cm2
lc——磁心有效磁路长度
从（2）式看出，在磁心的几何尺寸及绕线匝数确定后，电感量L与磁导率μr成正比。
当磁心开气隙后，其有效磁导率
(3)
μe——磁心的有效磁导率
μr——磁材的相对磁导率
lg——气隙长度(cm)
lc——有效磁路长度(cm)
从(3)式看出气隙lg越长，有效磁导率μe越低，这也可从图7磁化曲线的变化看出。
大家知道，磁导率就是磁化曲线上某点的斜率，即，显然，开气隙后磁化曲线的斜率，比不开气隙的斜率小。即μe变小了。
所以，磁心开适当气隙后，其工作频率可向高频扩展，即频率特性得到改善。
6结束语
在无线电技术，电子技术及变压器行业里，电感器常作为储能器件，其储能
而在自动学中，电感器是作为典型的惯性器件，其自感量就是其惯性大小的量度（就如同物体的质量大小，是其惯性大小的量度一样）。电感器的时间常数，自感量L大，惯性就大，其频率响应特性就差。
这也是物质的固有特性。所以要使电感器件的高频特性好，就必然要降低其电感值，而要提高某一磁性器件的高频响应特性，就必然地要降低该磁材的磁导率。高的磁导率和高的频率响应特性是相矛盾的，是受(1)式制约的。同时满足这两个特性的物质，自然界也根本不存在。
我们对磁材研究的任务就是不断探求高频损耗小的材料和降低器件高频损耗的工艺方法。在磁材成份和磁心结构确定后，要提高电感器件的高频响应特性，就只有给磁心开适当长的气隙。之所以说开适当长的气隙，是因为固然气隙越长，磁导率越低，高频响应越好，但是，气隙越长磁心矫顽力Hc增大，损耗又增大了。所以说，开适当气隙满足频响要求就可以了。
在开发电感镇流器和其它感抗器件中，为了避免磁心工作在饱和状态，就设法给磁心开适当的气隙，使剩磁减少，饱和磁通增量△B增加。这是业内人士熟知的事。另外，在开发一种工作频率范围为120HZ到20KHZ，峰值电流为20A的电抗器中，我们发现，给磁心开适当的气隙，还可以改善电感器的频率特性。即当频率从120HZ变化到20KHZ时，电感值的变化仍能满足使用要求。下面我把有关试验记录整理出来进行对比分析。另外，还摘录了一些磁材的特性曲线和数据，对磁材的磁导率μ与频率的关系，以及气隙对磁导率的影响作进一步的说明，不妥之处，请业内专家批评指正。
2气隙对电感器频率特性的影响（实验数据）
2.1气隙对非晶合金磁心频率特性的影响
为了满足该电感器在120HZ到20KHZ范围内，均能正常工作，我们自然想到了用非晶合金取代硅钢片，因为前者比后者薄，并且电阻率高，矫顽力小，所以高频损耗前者比后者低得多。但用非晶作成的电感器，其电感值，在120HZ到20KHZ频率范围内，会是怎样变化呢？我们作了测试记录。（见表1）
从表1看出，未开气隙，当频率从120HZ变到20KHZ时，电感值变化约77%。
从表2看出，开适当气隙后，当频率从120HZ变到20KHZ时，电感值变化约17%。
并且，当叠加直流从零增加到20A时，电感器的电感值虽然在下降，但其随频率的变化率一样都为17%。
2.2气隙对铁粉心电感器频率特性的影响
从表3看出，铁粉心未开气隙，当频率从120HZ变化到20KHZ时，（叠加直流从0A到20A）电感值变化7.2% ~15.3%。
从表4看出，开气隙后，当频率从120HZ变化到20KHZ时，（叠加直流从0A到20A）电感值变化为23.9 ~31%。
从表3和表4得知，同一铁粉心，开气隙后，频率特性变差了，所以铁粉心在使用中不宜开气隙。
2.3气隙长短，对薄硅钢片磁心频率特性的影响
从表5和表6看出，气隙开2mm，电感变化率为30%，而气隙开4mm，电感变化率约为21%。所以，对同一尺寸的硅钢卷铁心，开适当气隙可以改善频率特性。
3磁材的磁导率与频率的关系
3.1曲线图
在一般的磁材产品目录中都有初始磁导率与频率的关系曲线μi~f。这里摘录几个不同厂家的不同规格磁材的μi~f曲线进行对比分析，见图1、图2、图3、图4和图5。
从图1看出：从磁导率来看，磁材2H07＞2H06＞2H04＞2H03，但从工作频率高低看，2H03＞2H04＞2H06＞2H07。
图2和图3的情况类似，初始磁导率μi比较高的，其工作频率就比较低，反之，初始磁导率μi比较低的，磁材其工作频率就比较高。
图4和图5为铁粉心的磁导率μ与工作频率的关系。
我们知道，铁粉心属于由软磁材料组成的一种磁心结构。不能算作软磁材料。它是把合金材料先研磨成细粉，再同绝缘粉料按比例混合，把合金粉粒彼此隔离开，增加电阻率，另外绝缘粉料相当于分布气隙。
从图4及图5也可看出，磁导率高的粉心，其工作频率就比较低些。磁导率μ较低的，其工作频率就高些。同时，还可以看出，铁粉心的磁导率μ比其它软磁材料的μ低（这是分布气隙的作用）而其工作频率则比较高，特性曲线较平直。
3.2数据表格
对同一种磁材，其等效磁导率μe降低，其工作频率就升高。参看表7和表8。
4磁材的成分及加工工艺对磁导率的影响（见表9和图6）
从表8及表9可知，磁导率高的磁材其工作频率低，磁导率低的磁材其工作频率高，与磁材的厚度无关。
Fe2O3含量对磁材起始磁导率μi及其频率特性的影响示于图6：
起始磁导率μi绝对值，随Fe2O3含量的增加而下降，相应地，磁材的共振频率则向高频端偏移。
5电感L、磁导率μ、气隙lg及自然频率f之间的关系
下面，对上述试验数据及所列图表进行综合分析。
我们知道，任何电感电容回路的自然频率
(1)
F—自然频率（也叫谐振频率:单位HZ）
L—器件的电感量（集中或分布参数:单位H）
C—器件的电容量(集中或分布参数:单位法拉(F)
电感值与电容值的乘积越小，其自然频率越高。
又知道：
(2)
L——材料的自感量：单位H
μr——磁材的相对磁导率
Sc——磁心的截面积：单位cm2
lc——磁心有效磁路长度
从（2）式看出，在磁心的几何尺寸及绕线匝数确定后，电感量L与磁导率μr成正比。
当磁心开气隙后，其有效磁导率
(3)
μe——磁心的有效磁导率
μr——磁材的相对磁导率
lg——气隙长度(cm)
lc——有效磁路长度(cm)
从(3)式看出气隙lg越长，有效磁导率μe越低，这也可从图7磁化曲线的变化看出。
大家知道，磁导率就是磁化曲线上某点的斜率，即，显然，开气隙后磁化曲线的斜率，比不开气隙的斜率小。即μe变小了。
所以，磁心开适当气隙后，其工作频率可向高频扩展，即频率特性得到改善。
6结束语
在无线电技术，电子技术及变压器行业里，电感器常作为储能器件，其储能
而在自动学中，电感器是作为典型的惯性器件，其自感量就是其惯性大小的量度（就如同物体的质量大小，是其惯性大小的量度一样）。电感器的时间常数，自感量L大，惯性就大，其频率响应特性就差。
这也是物质的固有特性。所以要使电感器件的高频特性好，就必然要降低其电感值，而要提高某一磁性器件的高频响应特性，就必然地要降低该磁材的磁导率。高的磁导率和高的频率响应特性是相矛盾的，是受(1)式制约的。同时满足这两个特性的物质，自然界也根本不存在。
我们对磁材研究的任务就是不断探求高频损耗小的材料和降低器件高频损耗的工艺方法。在磁材成份和磁心结构确定后，要提高电感器件的高频响应特性，就只有给磁心开适当长的气隙。之所以说开适当长的气隙，是因为固然气隙越长，磁导率越低，高频响应越好，但是，气隙越长磁心矫顽力Hc增大，损耗又增大了。所以说，开适当气隙满足频响要求就可以了。
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