磁路串联激磁的磁芯原理及其应用
2011-02-15 15:04:36
来源：《磁性元件与电源》2011年2月刊
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1 引言
我们知道通电的螺线圈子会产生磁场。记作磁场强度H，，（其中I为流经线圈的电流，N为线圈的圈数，L为线圈轴向长度）。内部加入磁导体，则磁力线被磁导体聚合重新分布，依据磁性导体材料导磁能力的不同，磁导体内部的感应的磁场强不一，而描述的磁性材料导体内的磁感应强度的物理量记为B，磁感应强度B=UH，（U为磁导体的导磁能力，记为磁导率）。当线圈中的电流不是恒流源而是变化的时候，测定B和H的周期变化进程时，我们可得到众所周知的磁滞回线，如图1 (Hr， Hs， Br， Bs)。
在没有气隙GAP时，根据周期对偶性，其实磁导体表现出的是剩磁Br，对应线圈表现出的是矫顽力Hr。为了磁力线能尽量实现首尾闭合，组成封闭，减少漏磁通，我们把磁导体做成环形闭合或者EE，ER，EP，RM，EI等，以利两部分组装闭合，成为封闭闭合磁路。当磁路中间有气隙GAP时，磁滞回线向下倾，表现出Br减小，Bs不变。此时对应线圈表现出的是矫顽力Hr没有减少。为何没有气隙GAP时，Hr和Br有物理对应关系，有气隙GAP时，Br减少，Hr却没有实质的变化呢？有没有办法把Hr和Br同时减少呢？于是，我们做了如下探讨。
2 磁路串联激磁的磁芯原理
如图1，先由磁环说起，要减少Hr，而Hr来源于线圈的磁效应，是线圈中的磁场对磁导体的激励，若直接减少线圈的圈数或线圈中的电流，其实只是H在变化，相当于磁滞回线中的部份回线区域。显面易见无法移动磁滞回线中的Hr，除去线圈以后，只剩下磁性材料导体了，磁导体本身能否作为激励，从而改变磁滞回线的形状呢？延着这条思路我们分析起磁导体的磁路来，磁导体的材质不能改变，开气隙改变磁滞回线的形状时，是不改变磁导体的材质的，那么只剩下磁路可以改。为了改磁路，我们先分析一下测定磁滞回线时所用的磁路，它近似为从线圈一边进另外一边穿出首尾闭合磁力线圆环型柱，因为受到线圈的约束，所以变长短或粗细来影响Hr实用意义较少，考虑到磁路从线圈中只穿过一次，我们改变结构，让磁路从线圈中穿过两次。我们得到了矫顽力Hr减少的曲线。回过头来，我们的物理分析过程为：
如图2所示。
把正常磁环等分成两部分，每一部分为Φ/2的磁通势流过线圈，两者大小相等，方向相同，平行而不相交。AL=AL上+AL下=4πUe(Ae/2)/Le（因为上下等分，所以横截面积变为Ae/2）+4πUe(Ae/2)/Le=4πUeAe/Le。这恰恰就是正常磁环整体分析的电感系数AL公式，其中Ae为横截面积，Le为磁路长度，Ue为磁路有效导磁率Ue=Ui/(1+g*Ui/ι)；g是气隙的长度，ι整个磁路的长度，Ui是磁芯的导磁率。
当正常磁环首尾断开再互联时，我们得到了右边的串联磁路磁芯，当线圈只对上部分激磁时，AL上= 4πUe(Ae/2)/(2Le)。此时下半部分没有绕上线圈，电感系数只有上边正常磁环的1/4，是因为横截面积减小一半，磁路长度增加一倍。当线圈绕制时，同时也把下部分包络进去，AL=4*AL上（电感系数串联互感时将为4倍）+4*AL下=4*4πUe(Ae/2)/(2*Le)+4*4πUe(Ae/2)/(2*Le)=2*(4πUeAe/Le)。它是上边正常磁环的磁路电感系数的两倍。因为电感系数的大小直接决定了电感变换功率的多少，所以右图当横截面积不变，磁路长度减少一半，即改进圆环直径减少一半，体积和材质用量减少一半，改进圆环的磁路电感系数AL=2*4πUeAe/(Le/2)=4*(4πUeAe/Le) 。当我们为了做到与正常磁环一样的电感，我们必须减少一半的圈数（铜线用量减少一半）。因为电感L=AL*(n*n)。这说明串联激磁的磁芯更少的圈数可以做到同样的激磁，同样的圈数只要更小的电流就可以做到同样的激磁，因为线圈的电流减小，所以求证了Hr变小。
3 磁路串联激磁的磁芯应用
第一种方案：使磁性元器件小型化，提高功率密度，降低成本和重量。
如图3：
A片磁芯和B片磁芯上分别设有中柱、边脚和垂直连接中柱与边脚的底边，中柱与边脚分别位于两个层面上，A片磁芯的中柱与B片磁芯的边脚以及C片磁芯位于同一层面，B片磁芯的中柱与A片磁芯的边脚以及D片磁芯位于另一个层面。A片磁芯的底边与B片磁芯的底边被相互重叠地插接在一起，来取代现有磁芯的一个E片，C片磁芯与D片磁芯的被相互重叠来取代，现有磁芯的另一个E片。该磁芯在其它参数相同时，在变压器中去取代旧磁芯时，把新磁芯的磁芯磁路长度做成与旧磁芯相等，因为激磁循环两次，所以新磁芯中柱长和两边脚长是以前旧磁芯中柱长和两边脚长的一半，磁芯等效磁路长度才会相等，磁芯等效的截面积也相等，那么体积就成为以前的一半（中柱长和两边脚长是以前旧磁芯中柱长和两边脚长的一半），各
我们知道通电的螺线圈子会产生磁场。记作磁场强度H，，（其中I为流经线圈的电流，N为线圈的圈数，L为线圈轴向长度）。内部加入磁导体，则磁力线被磁导体聚合重新分布，依据磁性导体材料导磁能力的不同，磁导体内部的感应的磁场强不一，而描述的磁性材料导体内的磁感应强度的物理量记为B，磁感应强度B=UH，（U为磁导体的导磁能力，记为磁导率）。当线圈中的电流不是恒流源而是变化的时候，测定B和H的周期变化进程时，我们可得到众所周知的磁滞回线，如图1 (Hr， Hs， Br， Bs)。
在没有气隙GAP时，根据周期对偶性，其实磁导体表现出的是剩磁Br，对应线圈表现出的是矫顽力Hr。为了磁力线能尽量实现首尾闭合，组成封闭，减少漏磁通，我们把磁导体做成环形闭合或者EE，ER，EP，RM，EI等，以利两部分组装闭合，成为封闭闭合磁路。当磁路中间有气隙GAP时，磁滞回线向下倾，表现出Br减小，Bs不变。此时对应线圈表现出的是矫顽力Hr没有减少。为何没有气隙GAP时，Hr和Br有物理对应关系，有气隙GAP时，Br减少，Hr却没有实质的变化呢？有没有办法把Hr和Br同时减少呢？于是，我们做了如下探讨。
2 磁路串联激磁的磁芯原理
如图1，先由磁环说起，要减少Hr，而Hr来源于线圈的磁效应，是线圈中的磁场对磁导体的激励，若直接减少线圈的圈数或线圈中的电流，其实只是H在变化，相当于磁滞回线中的部份回线区域。显面易见无法移动磁滞回线中的Hr，除去线圈以后，只剩下磁性材料导体了，磁导体本身能否作为激励，从而改变磁滞回线的形状呢？延着这条思路我们分析起磁导体的磁路来，磁导体的材质不能改变，开气隙改变磁滞回线的形状时，是不改变磁导体的材质的，那么只剩下磁路可以改。为了改磁路，我们先分析一下测定磁滞回线时所用的磁路，它近似为从线圈一边进另外一边穿出首尾闭合磁力线圆环型柱，因为受到线圈的约束，所以变长短或粗细来影响Hr实用意义较少，考虑到磁路从线圈中只穿过一次，我们改变结构，让磁路从线圈中穿过两次。我们得到了矫顽力Hr减少的曲线。回过头来，我们的物理分析过程为：
如图2所示。
把正常磁环等分成两部分，每一部分为Φ/2的磁通势流过线圈，两者大小相等，方向相同，平行而不相交。AL=AL上+AL下=4πUe(Ae/2)/Le（因为上下等分，所以横截面积变为Ae/2）+4πUe(Ae/2)/Le=4πUeAe/Le。这恰恰就是正常磁环整体分析的电感系数AL公式，其中Ae为横截面积，Le为磁路长度，Ue为磁路有效导磁率Ue=Ui/(1+g*Ui/ι)；g是气隙的长度，ι整个磁路的长度，Ui是磁芯的导磁率。
当正常磁环首尾断开再互联时，我们得到了右边的串联磁路磁芯，当线圈只对上部分激磁时，AL上= 4πUe(Ae/2)/(2Le)。此时下半部分没有绕上线圈，电感系数只有上边正常磁环的1/4，是因为横截面积减小一半，磁路长度增加一倍。当线圈绕制时，同时也把下部分包络进去，AL=4*AL上（电感系数串联互感时将为4倍）+4*AL下=4*4πUe(Ae/2)/(2*Le)+4*4πUe(Ae/2)/(2*Le)=2*(4πUeAe/Le)。它是上边正常磁环的磁路电感系数的两倍。因为电感系数的大小直接决定了电感变换功率的多少，所以右图当横截面积不变，磁路长度减少一半，即改进圆环直径减少一半，体积和材质用量减少一半，改进圆环的磁路电感系数AL=2*4πUeAe/(Le/2)=4*(4πUeAe/Le) 。当我们为了做到与正常磁环一样的电感，我们必须减少一半的圈数（铜线用量减少一半）。因为电感L=AL*(n*n)。这说明串联激磁的磁芯更少的圈数可以做到同样的激磁，同样的圈数只要更小的电流就可以做到同样的激磁，因为线圈的电流减小，所以求证了Hr变小。
3 磁路串联激磁的磁芯应用
第一种方案：使磁性元器件小型化，提高功率密度，降低成本和重量。
如图3：
A片磁芯和B片磁芯上分别设有中柱、边脚和垂直连接中柱与边脚的底边，中柱与边脚分别位于两个层面上，A片磁芯的中柱与B片磁芯的边脚以及C片磁芯位于同一层面，B片磁芯的中柱与A片磁芯的边脚以及D片磁芯位于另一个层面。A片磁芯的底边与B片磁芯的底边被相互重叠地插接在一起，来取代现有磁芯的一个E片，C片磁芯与D片磁芯的被相互重叠来取代，现有磁芯的另一个E片。该磁芯在其它参数相同时，在变压器中去取代旧磁芯时，把新磁芯的磁芯磁路长度做成与旧磁芯相等，因为激磁循环两次，所以新磁芯中柱长和两边脚长是以前旧磁芯中柱长和两边脚长的一半，磁芯等效磁路长度才会相等，磁芯等效的截面积也相等，那么体积就成为以前的一半（中柱长和两边脚长是以前旧磁芯中柱长和两边脚长的一半），各
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