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PQ3535磁心对有效磁路参数计算

2010-02-23 11:08:25 来源:《磁性元件与电源》2010年2月刊 点击:2471

1 引言
磁心的磁路有效参数是用来检测其磁性能的基础,也是设计磁性器件的依据之一。如果磁心的有效磁路参数给定值与其真实值差别过大,用给定值去检测磁心性能参数就会引起很大的误差。如果采用错误的给定值设计电感器变压器,选用的材料就不能使器件达到设计要求。
关于PQ3535磁心对的有效磁路参数,目前国内各磁性材料厂家及用户都是采用日本TDK公司给出的数据,而国内还没有看到有不同异意。我们在使用中觉得现在各家使用的关于PQ3535磁心对的有效磁路参数Ae和le都有问题。对IEC标准【1】给出的有关PQ3535磁心对磁路有效参数计算公式审查后,对其进行了修正和补充。用修正后的公式和补充公式对PQ3535磁心对的有效磁路参数进行具体计算,发现计算结果与TDK公司给出的值相差甚远。现把我们的计算过程公布出来,供有关厂家参考使用。
2 PQ型磁心对的有效磁路参数计算公式
国际电工委员会在2006年公布的标准[1]“IEC 60205 2006-01磁性零件有效参数计算”第3.12节给出了有关PQ型磁心对有效磁路参数的计算公式。PQ型磁心对的产品结构见图1。
该标准把PQ磁心对的磁路划分为五个部分对整个磁路进行计算。除边腿至心柱之间的底板部分计算有些问题之外,其余各部分的计算公式都是正确的。标准上把边腿至心柱之间的底板编为第2部分磁路,我们也称其为第2部分。为了便于对第2部分进行精确的推导计算,我们把图1的一些有关部分转画为图2。图2中各线段交点所标字母A、B、C……等只代表交点的名称,与图1中表示线段长度的字母A、B、C等无关。
在图1中,给定了角度α和β,但是,相应于图2中AB和OB的线段长度是不确定的。在图2中,给出了角度φ和θ,角θ的顶点C落在中心柱与底板的交界圆上,这就使线段AB和OB的长度成为定值。另外,图1中的lmax相应于图2中的线段AD,标准中计算公式用到的lmax长度,注明是用测量确定。我们认为用测量确定会带来不必要的麻烦和误差。还有,标准在计算公式中用到面积A7,而根本就没提A7的值是如何计算的,这就让读者无所适从。现在我们利用图2找出角α、β与角θ、φ之间的关系式,推导出lmax及A7的精确计算公式,为PQ型磁心对的有效磁路参数计算扫清道路。
3 PQ型磁心对的磁路第2部分相关磁心因子计算
3.1 计算α角
(1)
3.2 计算线段OB
在ΔAOC中:

所以:                  
(2)
在ΔAOB中:

所以:                      
(3)
把(2)式代入(3)式得:


(4)

为了不使线段OB与图1中代表线段长度的字母混淆,这里把线段OB用字母M代替。
3.3 计算角度β 
由(2)式可知:

再由ΔAOC可知:


(5)

计算            
(6)

3.4 利用ΔAOD计算AD
AD即为图1中的 :
          
(7)
3.5 计算面积A7项
面积A7应该等于大扇形AOE的面积加上三角形AOB的面积,再减以小扇形DOF的面积。


(8)
3.6 计算面积A8
             (9)
由图2与图1的对应关系可知:
OA=E/2;OC=OD=F/2;AD=Imax。
利用以上相应关系,把图2中的一些关系式转换成以图1各尺寸表达的关系式:
式(4)变为
(10)

式(6)变为
                      (11)
式(7)变为
               (12)
式(8)变为
                (13)
式(9)变为
                             (14)
3.7 利用图1对第2部分的磁心因子l2/A22进行计算

(15)
   式中:

(15)式中的f和K是修正系数。积分号后是对一个底板的第2部分求l2/A22,磁心对的整个磁路包含有两个底板,所以积分号前要乘以2。由整个推导过程可知,(15)式的最后结果分母中已不再含常数因子2,这与文献[2]的推导结果是一致的。显然,标准上所给的相应公式分母上多乘了个2。
现在,PQ型磁心对的有效磁路参数计算障碍已全部扫除。下面对PQ3535磁心对的有效磁路参数进行具体计算。在计算中,除第2部分磁心因子的计算使用我们修正和补充的公式外,其它部分的计算均采用标准上给出的计算公式。                              
4 PQ3535磁心对的有效磁路参数计算
 PQ3535磁心对的形状如图1所示,其有关尺寸为:
A=35.1, B=17.38, C=26.0, D=12.5, E=32.0, F=14.35,
φ=49°=0.8552 (rad.), θ=152°=2.6529 (rad.).
先利用(1)式计算出α:
(rad.)=65.5°
利用(11)式计算出β:
                 
4.1 对边腿进行计算
l1=2D=2×12.5=25

4.2 对中心柱与边腿之间的底板部分进行计算
这部分磁路即为前面所说的第2部分。
用(10)式计算M

用(12)式计算lmax

计算 

用(13)式计算A7

计算  

利用下式计算l2/A2

利用(15)式计算l2/A22

4.3 对心柱进行计算
l3=2D=2×12.5=25

4.4 对边腿与底板的交界拐角计算

4.5 对心柱与底板的交界拐角计算

4.6 计算磁心常数C1、C2和有效磁路参数Ae、le及Ve

(mm3)
5 分析讨论
目前,国内各有关厂家及用户对PQ3535磁心对的有效磁路参数普遍采用的Ae值为196mm2,le值为87.9mm,这两个参数值来源于日本TDK公司产品目录,与我们的计算值相差甚远。经验告诉我们,既成事实的事情尽管有错,也难纠正,国际标准更不容易纠正。所以,我们不得不详细地给出有关公式的推导和补充。另外,关于现在普遍承认和采用的PQ3535磁心对的Ae和le是怎样计算出来的不得而知。但,它们是否有问题呢?我们可作如下分析:计算该磁心对闭合磁路外边沿磁路长为104.62mm,内边沿磁路长为67.65mm,平均磁路长为86.135mm,其有效磁路长度应界于最短磁路与平均磁路长度之间。但是,现在普遍采用的该种磁心对的有效磁路长度le却大于其平均磁路长度,这是不合理的。关于其Ae值,它应界于磁路各段最大截面与最小截面积之间。从前面的计算可知,PQ3535磁心对的磁路各段最大截面积A4为193.2mm2。但是,现在普遍采用的其Ae值却为196mm2,比磁路各段中的最大截面积还大,这显然又是不合理的。
在实际应用中,如果使用我们计算的Ae值169.2mm2测量PQ3535磁心对的功耗,结果与其材料的功耗很接近。如果使用现在普遍采用的Ae值196mm2测量其功耗,结果就会比其材料功耗值大许多。因此,我们认为我们的计算公式是正确的,对PQ3535磁心对的计算结果也是正确的,也是比较合理的。
本文在成文过程中,得到蒲蕾等同志的热心协助,我们在此表示衷心感谢!                          
参考文献
[1]  IEC 60205 2006-01 磁性零件有效参数计算
[2] 苏醒,谢钧,等.《IEC 60205磁性零件有效参数计算》的瑕疵与分析[1]. 大比特资讯,2007,(11):132.

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