应用磁粉心制作电感器如何选择磁心
2007-02-01 09:44:01
来源：《国际电子变压器》2007年2月刊
点击：1848
磁粉心包括：铁镍钼（MPP）、高磁通—铁镍（HF）、铁硅铝（Sundust）和铁粉心（Iron Powder）。由于它们都具有很好的直流偏磁（饱和）特性，在高频电源—开关电源以及逆变电源上得到广泛应用，如制作这些电源的功率因素调整（PFC）和输出滤波（平滑扼流圈）等，具有直流分量通过的电感器。
由于对它们的性能、特点了解差，或者不能依据有关曲线，如直流偏磁（磁场强度）与百分磁导率曲线（Percent Initial Permeability[%μ] vs DC Magnetizing Force[Oersteds] ）去认真进行选择，往往就无法得到很好的效果。这不能不影响到磁粉心的应用。
现在就以一个采用磁粉心制作变压器的实际例子， 看看为什么说，这样对磁粉心的选择和设计计算是不对的，而应该如何进行磁粉心的选择和设计计算。
最近在一本书*上看到，举例采用磁粉心制作反激式变换器的变压器。
该例中，得出初级电感值为26.3μH，初级峰值电流是8.55A。选定采用铁镍钼（MPP）磁粉心，型号为55310-A2（22.9X14.0.X7.62）。由于这只磁心的电感系数（AL）为90（nH/N2），根据公式计算，求得匝数为17匝。将此匝数作为变压器初级绕组的匝数，并以此计算出其它绕组的匝数。
如果采用铁氧体作磁心，这样做是可以的。在根据电感系数（磁心气隙已确定）计算得出匝数后，在匝数一确定后，电感值也就确定了。（为了避免在直流电流通过线圈时磁心不会饱和。当然是要采用带有气隙的磁心。）
*［《开关电源设计指南》（原书第2版）（英）Marty Brown 著，徐德鸿 沈 旭 杨成林 周邓燕译。机械工业出版社 2004年1月第一版第一次印刷。第92页。］
但是，磁粉心那就是另外一回事了。磁心（线圈、电感器）在一定匝数的情况下，它的电感值将会随着直流电流增加而变化。我们通常这么说，根据上面匝数绕制出来的电感器的电感值，是一个静态值，即基本上没有直流电流通过线圈。而当有直流电流通过时，电感值是将会向小变化。
根据计算，上述变压器的初级绕组，当通过的电流达到峰值8.55A时，它的电感值会变成只有原来的72.82%，从而使得输入功率也就只有原来设计要求的72.82%了，那将是很不妥的。
在采用磁粉心制作电感器或是变压器，一般都要将求得的电感值乘上一个系数，从1点几，甚至3点几，或者更多。使得静态电感值要相当大，以便直流电流达到峰值时，电感值能够减少到正好是你所要求的电感值，如本例的26.3μH。
究竟增加多少，有时需要反复计算多次，才能得到比较理想的结果。有时候，往往会采取一个大概的数值，影响到磁粉心的使用结果。
这里，要向大家介绍的一种方法，可以一步到位来进行磁粉心的选择和设计计算。就是采用一种专门为磁粉心选择而编制的电子表格，通过查对表格，就能很快得到结果。这个表格已经制成了光盘，可以直接在电脑上进行操作。而文字表格，四张表格如果全部打印出来，需要A4大小的纸168页。还是采用光盘比较方便。
现在，先给大家介绍专门为磁粉心选择而编制的一系列电子表格，根据四种磁粉心共编制有四张表格，它们分别是：
表1(Sheet 1)—铁镍钼（MPP），有26、60、125、147、160五种磁导率。
表2(Sheet 2)—高磁通—铁镍（HF），也有26、60、125、147、160五种磁导率。
表1、表2都是环型磁心。下面的表3、表4除了环型磁心外，还有E型磁心。
表3(Sheet 3)—铁硅铝（Sundust），环型有26、60、75、90、125五种磁导率，E型则有26、40、60、90四种磁导率。
表4(Sheet 4)—铁粉心（Iron Powder），环型有-8、-26、-40、-45、-52五种牌号，E型则有-8、-26、-40、-52四种牌号。
每套表的A、B、C列用来进行设计计算的。下面将结合实际例子作专门说明。
现在介绍一下表格的主要部分。分为三项：
一、磁心的规格和有关参数，编排于E~Y列；
二、不同磁场强度所对应%μ的安匝（NI）数，编排于Z~AS列；
三、不同%μ的磁能（W/μJ），编排于AT~BM列。
下面根据上面的实例，说明有关磁心选择和设计计算的步骤：
选择哪一种磁粉心，根据技术要求、价格等因素来决定。本例确定采用MPP磁粉心，因此，使用表1(Sheet 1)。
第一步：填入两项参数：在A6单元格内输入电感量（L）26.3（μH）和在B6单元格内输入峰值电流（IP）8.55（A）；C6单元格（已编制好计算程序）经过自动计算，得出磁能（W）961.298（μJ）。
第二步：根据C6单元格得出的磁能数，在AT~BM列内查找接近的数值。为了缩小查找范围，应该事先确定采用那一档的磁导率。(关于磁导率的选择，可以依据峰值电流的大小来确定：电流大，超过10A，磁导率低一些，如60、43甚至26；电流小，磁导率可以高一些，如75、90、125或者140以上。)本例为μ125，在56~82行之间。在BD73单元格上，找到数值987.11（μJ），比较接近961.298（μJ）符合要求。
现在选定BD73单元格，BD列向上（竖）看，在BD57单元格得到的百分μ是57；73行向左（横）看， F列即在F73单元格是，就是磁心的型号规格55310-A2，这是美国Magnetics公司的产品。 另外，在AJ73单元格，可以找到对应%μ的安匝数(NI)196.2。
第三步，在A19、B19和C19三个单元格内填上（或选择性粘贴—数值）磁心型号：55310-A2、百分数：57和安匝数：196.2。
第四步，先在A33单元格内填上（或选择性粘贴—数值）电感系数(AL) 90（见X73单元格）；接着在B33单元格，用A6单元格的电感值（L/μH）26.3除以B19单元格的μ的百分值（%μ=57，57/100）0.57，得出静态电感值，即26.3μH/0.57=46.14μH；接着利用有关公式，用A33、B33两单元格的数据（90和46.14），在C33单元格内得出初级绕组的匝数，N=23。这两项计算，也是已编制好计算程序，经过自动计算完成的。（以下还有一些的计算，都是在编制好计算程序后，自动计算完成的。不再一一说明。）
到此可以说，大功告成了。匝数不是原来的17匝，多了6匝。
在选定磁心时，需要注意这样一个问题：将来导线能否绕得下。在本例中，在AJ73单元格，找到了对应%μ的安匝数(NI)196.2。此时应该查一下W73单元格（最大安匝数）的数据是多少。得到上面的数据是423 ，远远大于196.2，因此完全绕得下。
为了方便起见，特将凡是安匝数小于W列（最大安匝数）的NI部分和W 部分的所有单元格，都加上了浅绿色。只要你在这种颜色单元格内选择磁心，一般都不用担心是否绕得下。
下面的工作，是核算一下，这样的设计，能否满足要求。
第五步，用C33、 B6两单元格的数据（23和8.55），在A46单元格得出一个安匝数，23*8.55=193.6。拿它与C19单元格的安匝数196.2进行比较，193.6比它小，就说明不会有问题。
在B46单元格内填上，你所选定的磁心的磁导率125。
在C46单元格内填上（或选择性粘贴—数值）V73单元格的饱和系数（0.22159）。
第六步，在A60单元格，进行C46单元格的0.22159同A46单元格的193.6相乘，得出磁场强度H=42.9 Oe。在此同时，A73单元格已自动计算出%μ=57.8。这就意味着，当峰值电流达到8.55A时，电感值不会小于26.3μH，而是46.14μH的0.578，即26.67μH，你就用不着担心输入功率会变小了。
在使用表4(Sheet 4)—铁粉心（Iron Powder），进入第六步时，操作上有些不同。在得出磁场强度H（Oe）以后，要根据不同的牌号（磁导率），将磁场强度H（Oe）数据填在（或选择性粘贴—数值）相应的区域的磁场强度H（Oe）单元格。例如，牌号-8、牌号-26、牌号-40、牌号-45、牌号-52，分别填入A60~64、A69~72、A78~82、A87~91、A96~100单元格。在此同时，D60~64、D69~72、D78~82、D87~91、D96~100单元格自动计算出%μ。
这样选择磁心，难道不是一步到位吗！就这么简单，如此方便。
对编制电子表格的说明。
这里所引用的数据，来自以下几家公司的产品说明书：
美国两家：Magnetics 、Arnold ;
韩国两家：昌盛CSC(Chang Sung Corporation) 、东部Dongbu ；
国内：科达。
同时，在产品规格和材料牌号（磁导率）上都有所取舍。基本上，容纳了一些常用的规格和牌号（磁导率）。
主要技术参数是Magnetics 公司的，因此当你在使用别的公司的产品时，有些结果可能会产生一些差异，那不是电子表格的设计计算问题。这是需要提醒大家的。
在BN~CJ列以后，是编制自动计算程序的有关内容，不要轻易变动，否则，将影响自动计算的结果。
在ABC列中，凡是无色彩的单元格，都是需要输入数据的；而黄色、红色和粉红色的单元格，都是自动进行计算的。在前一行已经有计算结果以后，从第二行后，只要向下拉动就完成计算了。
附：电子表格(Excel)《电感器设计的磁粉心选择》，见http://bbs.big-bit.com/dispbbs.asp?boardID=120&ID=10324&page=1
由于对它们的性能、特点了解差，或者不能依据有关曲线，如直流偏磁（磁场强度）与百分磁导率曲线（Percent Initial Permeability[%μ] vs DC Magnetizing Force[Oersteds] ）去认真进行选择，往往就无法得到很好的效果。这不能不影响到磁粉心的应用。
现在就以一个采用磁粉心制作变压器的实际例子， 看看为什么说，这样对磁粉心的选择和设计计算是不对的，而应该如何进行磁粉心的选择和设计计算。
最近在一本书*上看到，举例采用磁粉心制作反激式变换器的变压器。
该例中，得出初级电感值为26.3μH，初级峰值电流是8.55A。选定采用铁镍钼（MPP）磁粉心，型号为55310-A2（22.9X14.0.X7.62）。由于这只磁心的电感系数（AL）为90（nH/N2），根据公式计算，求得匝数为17匝。将此匝数作为变压器初级绕组的匝数，并以此计算出其它绕组的匝数。
如果采用铁氧体作磁心，这样做是可以的。在根据电感系数（磁心气隙已确定）计算得出匝数后，在匝数一确定后，电感值也就确定了。（为了避免在直流电流通过线圈时磁心不会饱和。当然是要采用带有气隙的磁心。）
*［《开关电源设计指南》（原书第2版）（英）Marty Brown 著，徐德鸿 沈 旭 杨成林 周邓燕译。机械工业出版社 2004年1月第一版第一次印刷。第92页。］
但是，磁粉心那就是另外一回事了。磁心（线圈、电感器）在一定匝数的情况下，它的电感值将会随着直流电流增加而变化。我们通常这么说，根据上面匝数绕制出来的电感器的电感值，是一个静态值，即基本上没有直流电流通过线圈。而当有直流电流通过时，电感值是将会向小变化。
根据计算，上述变压器的初级绕组，当通过的电流达到峰值8.55A时，它的电感值会变成只有原来的72.82%，从而使得输入功率也就只有原来设计要求的72.82%了，那将是很不妥的。
在采用磁粉心制作电感器或是变压器，一般都要将求得的电感值乘上一个系数，从1点几，甚至3点几，或者更多。使得静态电感值要相当大，以便直流电流达到峰值时，电感值能够减少到正好是你所要求的电感值，如本例的26.3μH。
究竟增加多少，有时需要反复计算多次，才能得到比较理想的结果。有时候，往往会采取一个大概的数值，影响到磁粉心的使用结果。
这里，要向大家介绍的一种方法，可以一步到位来进行磁粉心的选择和设计计算。就是采用一种专门为磁粉心选择而编制的电子表格，通过查对表格，就能很快得到结果。这个表格已经制成了光盘，可以直接在电脑上进行操作。而文字表格，四张表格如果全部打印出来，需要A4大小的纸168页。还是采用光盘比较方便。
现在，先给大家介绍专门为磁粉心选择而编制的一系列电子表格，根据四种磁粉心共编制有四张表格，它们分别是：
表1(Sheet 1)—铁镍钼（MPP），有26、60、125、147、160五种磁导率。
表2(Sheet 2)—高磁通—铁镍（HF），也有26、60、125、147、160五种磁导率。
表1、表2都是环型磁心。下面的表3、表4除了环型磁心外，还有E型磁心。
表3(Sheet 3)—铁硅铝（Sundust），环型有26、60、75、90、125五种磁导率，E型则有26、40、60、90四种磁导率。
表4(Sheet 4)—铁粉心（Iron Powder），环型有-8、-26、-40、-45、-52五种牌号，E型则有-8、-26、-40、-52四种牌号。
每套表的A、B、C列用来进行设计计算的。下面将结合实际例子作专门说明。
现在介绍一下表格的主要部分。分为三项：
一、磁心的规格和有关参数，编排于E~Y列；
二、不同磁场强度所对应%μ的安匝（NI）数，编排于Z~AS列；
三、不同%μ的磁能（W/μJ），编排于AT~BM列。
下面根据上面的实例，说明有关磁心选择和设计计算的步骤：
选择哪一种磁粉心，根据技术要求、价格等因素来决定。本例确定采用MPP磁粉心，因此，使用表1(Sheet 1)。
第一步：填入两项参数：在A6单元格内输入电感量（L）26.3（μH）和在B6单元格内输入峰值电流（IP）8.55（A）；C6单元格（已编制好计算程序）经过自动计算，得出磁能（W）961.298（μJ）。
第二步：根据C6单元格得出的磁能数，在AT~BM列内查找接近的数值。为了缩小查找范围，应该事先确定采用那一档的磁导率。(关于磁导率的选择，可以依据峰值电流的大小来确定：电流大，超过10A，磁导率低一些，如60、43甚至26；电流小，磁导率可以高一些，如75、90、125或者140以上。)本例为μ125，在56~82行之间。在BD73单元格上，找到数值987.11（μJ），比较接近961.298（μJ）符合要求。
现在选定BD73单元格，BD列向上（竖）看，在BD57单元格得到的百分μ是57；73行向左（横）看， F列即在F73单元格是，就是磁心的型号规格55310-A2，这是美国Magnetics公司的产品。 另外，在AJ73单元格，可以找到对应%μ的安匝数(NI)196.2。
第三步，在A19、B19和C19三个单元格内填上（或选择性粘贴—数值）磁心型号：55310-A2、百分数：57和安匝数：196.2。
第四步，先在A33单元格内填上（或选择性粘贴—数值）电感系数(AL) 90（见X73单元格）；接着在B33单元格，用A6单元格的电感值（L/μH）26.3除以B19单元格的μ的百分值（%μ=57，57/100）0.57，得出静态电感值，即26.3μH/0.57=46.14μH；接着利用有关公式，用A33、B33两单元格的数据（90和46.14），在C33单元格内得出初级绕组的匝数，N=23。这两项计算，也是已编制好计算程序，经过自动计算完成的。（以下还有一些的计算，都是在编制好计算程序后，自动计算完成的。不再一一说明。）
到此可以说，大功告成了。匝数不是原来的17匝，多了6匝。
在选定磁心时，需要注意这样一个问题：将来导线能否绕得下。在本例中，在AJ73单元格，找到了对应%μ的安匝数(NI)196.2。此时应该查一下W73单元格（最大安匝数）的数据是多少。得到上面的数据是423 ，远远大于196.2，因此完全绕得下。
为了方便起见，特将凡是安匝数小于W列（最大安匝数）的NI部分和W 部分的所有单元格，都加上了浅绿色。只要你在这种颜色单元格内选择磁心，一般都不用担心是否绕得下。
下面的工作，是核算一下，这样的设计，能否满足要求。
第五步，用C33、 B6两单元格的数据（23和8.55），在A46单元格得出一个安匝数，23*8.55=193.6。拿它与C19单元格的安匝数196.2进行比较，193.6比它小，就说明不会有问题。
在B46单元格内填上，你所选定的磁心的磁导率125。
在C46单元格内填上（或选择性粘贴—数值）V73单元格的饱和系数（0.22159）。
第六步，在A60单元格，进行C46单元格的0.22159同A46单元格的193.6相乘，得出磁场强度H=42.9 Oe。在此同时，A73单元格已自动计算出%μ=57.8。这就意味着，当峰值电流达到8.55A时，电感值不会小于26.3μH，而是46.14μH的0.578，即26.67μH，你就用不着担心输入功率会变小了。
在使用表4(Sheet 4)—铁粉心（Iron Powder），进入第六步时，操作上有些不同。在得出磁场强度H（Oe）以后，要根据不同的牌号（磁导率），将磁场强度H（Oe）数据填在（或选择性粘贴—数值）相应的区域的磁场强度H（Oe）单元格。例如，牌号-8、牌号-26、牌号-40、牌号-45、牌号-52，分别填入A60~64、A69~72、A78~82、A87~91、A96~100单元格。在此同时，D60~64、D69~72、D78~82、D87~91、D96~100单元格自动计算出%μ。
这样选择磁心，难道不是一步到位吗！就这么简单，如此方便。
对编制电子表格的说明。
这里所引用的数据，来自以下几家公司的产品说明书：
美国两家：Magnetics 、Arnold ;
韩国两家：昌盛CSC(Chang Sung Corporation) 、东部Dongbu ；
国内：科达。
同时，在产品规格和材料牌号（磁导率）上都有所取舍。基本上，容纳了一些常用的规格和牌号（磁导率）。
主要技术参数是Magnetics 公司的，因此当你在使用别的公司的产品时，有些结果可能会产生一些差异，那不是电子表格的设计计算问题。这是需要提醒大家的。
在BN~CJ列以后，是编制自动计算程序的有关内容，不要轻易变动，否则，将影响自动计算的结果。
在ABC列中，凡是无色彩的单元格，都是需要输入数据的；而黄色、红色和粉红色的单元格，都是自动进行计算的。在前一行已经有计算结果以后，从第二行后，只要向下拉动就完成计算了。
附：电子表格(Excel)《电感器设计的磁粉心选择》，见http://bbs.big-bit.com/dispbbs.asp?boardID=120&ID=10324&page=1
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