金属磁粉芯电感器设计方法
2010-09-07 10:39:30
来源：《磁性元件与电源》2010年9月刊
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1 引言
在有些情况下，希望磁性元件具有一些特殊特性，例如，1)宽幅的贮存和工作温度范围（如军品要求在-55℃-70℃范围内正常工作）；2)具有良好的EMC特性；3)低高度，等。金属磁粉芯就是比较合理的选择。如果选择合理，可以设计出比铁氧体磁芯、非金或超微晶磁芯性价比更高的磁性元件。金属磁粉芯更适合制作具有直流偏置的电感器，满足上述特殊要求。
本文介绍了金属磁粉芯的特点、分类和应用，归纳了金属磁粉芯电感器的设计基本步骤，并给出设计算例，经测试和应用试验，满足设计要求。
2 金属磁粉芯的特点、分类和应用
2.1 金属磁粉芯的特点
金属磁粉芯通常将磁性材料粉末与粘合剂混合，通过模压、固化，一般制成环形，表面喷涂绝缘漆层，可以直接绕线，适用于各种电感，特别是直流滤波电感、EMI/RFI滤波电感。由于大量非磁性物质掺入，相当于把气隙分布在磁芯中，磁场能量就分布储存磁芯中，避免了由于集中气隙所产生的强烈的电磁辐射与高频损耗。磁粉芯还具有居里温度高，高低温特性稳定，磁导率稳定等显著优点。金属磁粉芯制作的开关电源输入差模电感和输出滤波电感，具有优良的抗饱和特性和高频特性，磁导率在很宽频率范围内具有良好的恒定特性【1， 2， 4】。
2.2 金属磁粉芯的分类与应用
根据材料不同，常用的金属磁粉芯包括四种【2， 3】：铁硅铝(Sendust)、铁镍50(Hi-flux)、铁镍钼(MPP)以及铁粉芯。它们的材料成分和主要指标对比如表1：
应根据使用场合和实际需要选用合适的磁粉芯。例如MPP损耗最低，但是最昂贵；铁镍50饱和磁通密度高，体积可以设计较小，但也较贵。MPP与铁镍50一般用于航空航天场合；铁粉芯成本最低，但是损耗最大，可以用于指标要求不高的场合；相对来说，铁硅铝具有良好的性价比，得到了广泛的应用【4】。
3 金属磁粉芯电感器设计步骤
3.1 选择磁芯
首先，根据使用场合决定材料种类（见2.2），再根据电感储能选取适当的规格。电感储能：E=0.5×LI 2，储能越大，所选磁芯的AP值越大（AP值定义为：AP=Ae·Aw，其中，Ae-磁芯的截面积，Aw-磁芯窗口面积）。磁环的Ae，Aw如图1。
有的磁芯生产厂商会给出储能（一般用LI 2代替E）与磁芯规格的对照图表【3】，如图2（图中，26μ，60μ，75μ，90μ，125μ对应5种磁导率铁硅铝材料），作为设计参考。
实际设计中，还要根据电感器散热条件和其他要求进行细选磁芯规格。
3.2 初算匝数
选定磁芯规格后，查找性能参数，主要包括：相对磁导率μ，电感系数（每匝线圈自感量）AL，以及几何尺寸Ae ，Aw和磁芯磁路长度le，等。匝数初步计算：
(1)
其中，N-匝数；L-电感量，单位：H；AL-电感系数，单位：H /匝2；ε%-电感系数误差，一般为8%。对N取整，计算对应的磁场强度：
(2)
其中，H-磁场强度，单位：Oe；I-电流，单位：A；le-磁路长度，单位：cm。
根据磁场强度H，按照图3【3】查找初始磁导率系数μr%。图3显示，不同μ的磁芯在不同H下，初始磁导率产生不同变化，产生衰减，具有不同的初始磁导率系数。对初算匝数进行修正：
(3)
取整，获得修正匝数。
3.3 核算电感量
修正后对应的磁场强度：
(4)
根据H1，从图3查找初始磁导率系数μr1%。由于，对于选定磁芯，AL∝μ，故，修正的电感系数：
AL1=AL·μr1% (5)
设计的电感量为：
L1=AL1·N12 (6)
检验L2与设计的目标是否接近，否则，适当调整匝数，重复核算，直至满意。
考虑到磁芯电感系数误差，电感量范围：
L1=AL1(1-ε%)·N12~AL1(1+ε%)·N12。
3.4 选取导线
导线选取应该注意2个主要因素：1)电流密度，要根据散热环境确定，随着散热条件的改善，可以提高电流密度；2)电流频率，当工作频率比较高的时候，为了减少导线高频损耗，应选用丝包束线，反之，选取漆包线比较好。对于整流滤波电感和共模电感，电流主要是直流分量，高频损耗较小，漆包线可以满足要求。
3.5 核算温升
一般地说，按照磁芯生产厂商提供的图表，设计的电感温升是安全的。当然，由于工作环境、空间约束等因素，可以不按照图表自行选取，设计后，应该估算温升是否满足要求。有些厂商提供估算公式【3】，可以参考，但实际上，由于影响因素很复杂，很难计算准确，满意的设计还需要在试验中验证、完善。
设计算例：设计一台差模滤波电感，电感量55μH，电流8A，在满足电感量前提下，要求体积小，成本低。经计算，LI 2=3.52mH·A2，查图2，选取MAGNETICS磁粉芯77935，磁芯参数：μ=75，AL=94μH/匝2，外径26.9mm，内径14.7mm，高度11.2mm。按照式(1)，匝数初选N=25，按照式(2， 3)，μr%=0.7，修正为N1=36，按照式(4， 5， 6)，μr1%=0.55，核算电感量L2=67μH，偏大，重新修正匝数，取N1=30，再次核算，L1=54μH，接近设计目标。考虑到磁芯电感系数误差ε%=8%，电感量范围：L1=49.7~58.3μH。导线选用Ф1.3漆包线（电流密度5.8A/mm2）。测试结果示表2。
可以看出，测试频率对电感量影响不大，偏置电流对电流量具有明显影响。当偏置电流8A时，电感量在设计范围内。把测试结果用坐标表示，如图4。
经测试和电路试验，电感器满足设计要求。
4 结论
从图3与算例的测试结果可以看出，随着偏置电流的变化（磁场强度也随之变化），电感量会有较大变化，因此，不能简单用式(1)的计算结果作为设计匝数，必须根据初始磁导率系数进行匝数补偿与核算。另外，由于金属磁粉
在有些情况下，希望磁性元件具有一些特殊特性，例如，1)宽幅的贮存和工作温度范围（如军品要求在-55℃-70℃范围内正常工作）；2)具有良好的EMC特性；3)低高度，等。金属磁粉芯就是比较合理的选择。如果选择合理，可以设计出比铁氧体磁芯、非金或超微晶磁芯性价比更高的磁性元件。金属磁粉芯更适合制作具有直流偏置的电感器，满足上述特殊要求。
本文介绍了金属磁粉芯的特点、分类和应用，归纳了金属磁粉芯电感器的设计基本步骤，并给出设计算例，经测试和应用试验，满足设计要求。
2 金属磁粉芯的特点、分类和应用
2.1 金属磁粉芯的特点
金属磁粉芯通常将磁性材料粉末与粘合剂混合，通过模压、固化，一般制成环形，表面喷涂绝缘漆层，可以直接绕线，适用于各种电感，特别是直流滤波电感、EMI/RFI滤波电感。由于大量非磁性物质掺入，相当于把气隙分布在磁芯中，磁场能量就分布储存磁芯中，避免了由于集中气隙所产生的强烈的电磁辐射与高频损耗。磁粉芯还具有居里温度高，高低温特性稳定，磁导率稳定等显著优点。金属磁粉芯制作的开关电源输入差模电感和输出滤波电感，具有优良的抗饱和特性和高频特性，磁导率在很宽频率范围内具有良好的恒定特性【1， 2， 4】。
2.2 金属磁粉芯的分类与应用
根据材料不同，常用的金属磁粉芯包括四种【2， 3】：铁硅铝(Sendust)、铁镍50(Hi-flux)、铁镍钼(MPP)以及铁粉芯。它们的材料成分和主要指标对比如表1：
应根据使用场合和实际需要选用合适的磁粉芯。例如MPP损耗最低，但是最昂贵；铁镍50饱和磁通密度高，体积可以设计较小，但也较贵。MPP与铁镍50一般用于航空航天场合；铁粉芯成本最低，但是损耗最大，可以用于指标要求不高的场合；相对来说，铁硅铝具有良好的性价比，得到了广泛的应用【4】。
3 金属磁粉芯电感器设计步骤
3.1 选择磁芯
首先，根据使用场合决定材料种类（见2.2），再根据电感储能选取适当的规格。电感储能：E=0.5×LI 2，储能越大，所选磁芯的AP值越大（AP值定义为：AP=Ae·Aw，其中，Ae-磁芯的截面积，Aw-磁芯窗口面积）。磁环的Ae，Aw如图1。
有的磁芯生产厂商会给出储能（一般用LI 2代替E）与磁芯规格的对照图表【3】，如图2（图中，26μ，60μ，75μ，90μ，125μ对应5种磁导率铁硅铝材料），作为设计参考。
实际设计中，还要根据电感器散热条件和其他要求进行细选磁芯规格。
3.2 初算匝数
选定磁芯规格后，查找性能参数，主要包括：相对磁导率μ，电感系数（每匝线圈自感量）AL，以及几何尺寸Ae ，Aw和磁芯磁路长度le，等。匝数初步计算：
(1)
其中，N-匝数；L-电感量，单位：H；AL-电感系数，单位：H /匝2；ε%-电感系数误差，一般为8%。对N取整，计算对应的磁场强度：
(2)
其中，H-磁场强度，单位：Oe；I-电流，单位：A；le-磁路长度，单位：cm。
根据磁场强度H，按照图3【3】查找初始磁导率系数μr%。图3显示，不同μ的磁芯在不同H下，初始磁导率产生不同变化，产生衰减，具有不同的初始磁导率系数。对初算匝数进行修正：
(3)
取整，获得修正匝数。
3.3 核算电感量
修正后对应的磁场强度：
(4)
根据H1，从图3查找初始磁导率系数μr1%。由于，对于选定磁芯，AL∝μ，故，修正的电感系数：
AL1=AL·μr1% (5)
设计的电感量为：
L1=AL1·N12 (6)
检验L2与设计的目标是否接近，否则，适当调整匝数，重复核算，直至满意。
考虑到磁芯电感系数误差，电感量范围：
L1=AL1(1-ε%)·N12~AL1(1+ε%)·N12。
3.4 选取导线
导线选取应该注意2个主要因素：1)电流密度，要根据散热环境确定，随着散热条件的改善，可以提高电流密度；2)电流频率，当工作频率比较高的时候，为了减少导线高频损耗，应选用丝包束线，反之，选取漆包线比较好。对于整流滤波电感和共模电感，电流主要是直流分量，高频损耗较小，漆包线可以满足要求。
3.5 核算温升
一般地说，按照磁芯生产厂商提供的图表，设计的电感温升是安全的。当然，由于工作环境、空间约束等因素，可以不按照图表自行选取，设计后，应该估算温升是否满足要求。有些厂商提供估算公式【3】，可以参考，但实际上，由于影响因素很复杂，很难计算准确，满意的设计还需要在试验中验证、完善。
设计算例：设计一台差模滤波电感，电感量55μH，电流8A，在满足电感量前提下，要求体积小，成本低。经计算，LI 2=3.52mH·A2，查图2，选取MAGNETICS磁粉芯77935，磁芯参数：μ=75，AL=94μH/匝2，外径26.9mm，内径14.7mm，高度11.2mm。按照式(1)，匝数初选N=25，按照式(2， 3)，μr%=0.7，修正为N1=36，按照式(4， 5， 6)，μr1%=0.55，核算电感量L2=67μH，偏大，重新修正匝数，取N1=30，再次核算，L1=54μH，接近设计目标。考虑到磁芯电感系数误差ε%=8%，电感量范围：L1=49.7~58.3μH。导线选用Ф1.3漆包线（电流密度5.8A/mm2）。测试结果示表2。
可以看出，测试频率对电感量影响不大，偏置电流对电流量具有明显影响。当偏置电流8A时，电感量在设计范围内。把测试结果用坐标表示，如图4。
经测试和电路试验，电感器满足设计要求。
4 结论
从图3与算例的测试结果可以看出，随着偏置电流的变化（磁场强度也随之变化），电感量会有较大变化，因此，不能简单用式(1)的计算结果作为设计匝数，必须根据初始磁导率系数进行匝数补偿与核算。另外，由于金属磁粉
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