第四讲：磁性元件的设计

初始条件 （L、Iav、ΔI）
初选铁芯型号
Bm (0.6 0.8) Bs
第二步：计算绕组匝数
计算绕组匝数
计算气隙长度
调整铁芯型号
添加了气隙，磁路不饱和，因 此为线性。
气隙长度 是否合理 YES 计算导体尺寸
NO
N Nm NBm Ae L I I max I max I max L ( I av 0.5I ) L N Bm Ae Bm Ae
m
P S P P S P
1
2
N1
N2
用漏感来表征漏磁，其导致很大的电压尖峰。 选择合适的铁芯结构：罐形、环形或者EC/ETD型。 采用恰当的绕制方法：原副边夹绕、减小匝数、增 加绕组的高度、减小绕组厚度。
3、直流滤波电感的设计 铁芯工作在第Ⅲ种工作状态； 电流中存在很大的直流分量； 铁芯中存在较大的直流偏磁； 为避免饱和，采用加气隙铁芯 或者宽恒导磁合金铁芯； 铁耗很小，饱和限制Bm选择。 • 设计前已知的物理量
3、磁粉芯 将极细的磁性材料粉末和非铁磁材料 混合在一起，模压、固化成环型铁芯。
内部有很多非铁磁材料，相当于开了气隙，因此相 对磁导率很低，约为10~500。
不需要另外开气隙，不易饱和，能存储很大能量， 适合做储能电感和反激变压器的铁芯。
等效气隙宽度是变化 的，因此等效磁导率 非线性，B-H曲线没 有线性区，而是缓慢 进入饱和。
• 铁镍磁粉芯
50%铁粉和50%的镍粉粘合而成； 相对磁导率为14~200之间； 用于军品！ 成本很高； 磁通密度最高，达1.5T； 铁芯损耗介于铁硅铝和铁粉芯之间。
• MPP粉末芯 由2%的钼、81%的镍和17%的铁组成； 相对磁导率为14~550； 价格昂贵； 用于军品！ 温度稳定性最佳； 铁芯损耗最小； 磁通密度最低。
4、铁镍软磁合金（坡莫合金）
相对磁导率极高，一般在20000以上； 极低的矫顽力，磁滞回线很窄，磁滞损耗很小； 矩形比Br/Bm很高，适合做变压器； 温度稳定好，但是价格较高； 电阻率非常低，涡流损耗大，适合几kHz的场 合；为了减小涡流损耗，一般碾压成带料。 超级坡莫合金IJ851可以工作于100kHz，其铁耗 小于铁氧体。
圆柱形截面，绕线匝长较矩形截面短； 罐体可以很好的磁屏蔽； 线圈之间耦合较好，漏磁极小； 窗口宽度小，不好散热，适合小功率； 出线缺口小，引出线困难！
环形
罐形
EE形

EI形
截面积很大，窗口宽，可以减少匝数和层数，漏磁小； 形状简单，规格齐全、便于设计； 窗口面积大，易于出线和散热，适合大功率场合； 矩形截面，易并列扩展功率，但不适合粗导线绕线； 形状简单，便于设计； 圆形截面，导线长度减小，铜耗减小， 且适合粗导线绕线； 线圈耦合较好，漏磁较小。 EC/ETD形
二、磁性材料的基本知识
1、磁滞回线 基本磁化曲线
N匝
l
i
i 2 I sin t
反复磁化时，铁芯中 任一点的磁感应强度 B与磁场强度H之间的 关系曲线B=f(H)。
2、磁导率
• 相同的磁场强度H，在不 同的磁介质中产生的磁感 应强度B是不同的，即不 同介质导磁能力不一样。
B,μ μm
基本磁化曲线
B=f(H)
μi
μ=f(H) 0
• 绝对磁导率
B H
H
o 4 10 H / m 真空的绝对磁导率：
磁场 介质 非铁磁材料（如空气、油等） μ= μ0
7
铁磁材料（如：铁、镍等） μ >>μ0
• 相对磁导率
r 0
初始磁导率μi和最大磁导率 μm均为相对磁导率。 • 等效磁导率
• Bs较低，一般不超过0.5T，且随温度上升而明显 下降。 • 居里温度较低，一般低于350℃。 • 主要厂家有：康达、金宁、飞利浦、TDK等。
铁氧体铁芯在通信电源和开关电源中应用十分广泛， 其结构形式多种多样，需要根据应用场合进行相应的 选择。
没有气隙，散磁少但容易饱和； 矩形截面，不适合粗导线绕线！ 线圈均匀绕在铁芯上，最适合做电感！
• 只要伏秒平衡，则铁芯 必能磁复位。 • 若铁芯磁化能进入稳态，则伏秒必定是平衡的。
• 磁通变化量为两倍最大磁通。
3、第Ⅱ类工作状态 铁芯的励磁电流单 方向流动。
铁芯利用率很低
1 TON B udt NA 0 U inTon Bs Br NA
• 选Bs高的铁芯； • 铁芯开气隙，以 降低Br。
窗口面积 是否满足 YES 结束
NO
第三步：计算气隙长度 带气隙铁芯的磁阻即为气隙磁 阻。
初始条件 （L、Iav、ΔI）
初选铁芯型号
N 2 N 2 0 A L Rm
B Bs
H
• 铁粉芯
由铁粉和有机材料粘合而成； 相对磁导率为10~75之间； 成本很低； 没人用啦！ 材料很软； 铁芯损耗相当大。
• 铁硅铝 由6%的铝、9%的硅和85%的铁组成； 相对磁导率为26、60、75、90和125； 成本较低； 材料硬； 应用较广！ 铁芯损耗较小。
B Bm
A1
N匝
Br 0
H
i
Hl i N
t0 Bm 0 Br
d dB UN NA dt dt
QM Uidt
Bm Bm dB Hl NA dt AlHdB V HdB VA1 Br Br dt N
若为线性磁路，则可视为线性电感。
1 1 1 1 2 2 1 2 2 QM AV HBm Al NIm ( NI ) m I N m LI 1 2 2 2 2 2
导线有效截面积减小，电阻增大。 与交变频率有关，频率越大，效 应越显著。 常用穿透深度Δ来表征有效截面 积减少的程度。 绕组导线线径小于2倍穿透深度。

2
0
=
1 6 f 0 58 10
2、漏磁
只穿过一次绕组，不穿过二次绕组的磁通称为一次侧 漏磁通；只穿过二次绕组，不穿过一次绕组的磁通称 为二次侧漏磁通。
• t:(0-T/2)

T /2
0
udt NA
B (T / 2)
B (0)
dB
S NAB
S+为电压u在(0-T/2)区间内的积分，也即：u波形与横 轴（0-T/2）包围区域的面积，其单位（伏秒）。 • t:(T/2-T) 同理，有：
S NAB
S S B B 2 Bm
4、第Ⅲ类工作状态
• 励磁电流单方向流动。 • 励磁电流的交流分量很小， 铁耗很小，主要是铜耗。 • 励磁电流的直流分量很大， 为了避免铁芯饱和，需要添 加气隙。
B B1
B
Bs Br
H1
H2
H
四、常用的铁芯材料
1、冷压硅钢带 • Bs很大，约为0.6~1.9T
• 工作频率不高于1kHz， 适用于电力变压器和交 流电感。
电感
2 N 2 LN Rm
电感系数：铁芯上绕1匝线圈产生的自感量。
1 A AL = = Rm l
5、加气隙后磁滞回线的变化
l
N匝

无气隙 有气隙
Rm
l
r 0 A
l Rm1 r 0 A 0 A 1 A
l
I
l 0 r 1 r 0 0 r l 0 r 0 1 l0
Bm
Br
HdB HdB ) V (
Bm
Br
Bm
Br
HdB
Bm
Br
HdB ) V ( A1 A2 )
Qh V ( A1 A2 )
磁滞损耗Qh正比于铁芯的磁滞 回线的面积。 • 涡流损耗 交变磁场在在铁芯中引起涡流， 从而产生涡流损耗Qe，其与交变 频率、钢带厚度和电阻率有关。

磁滞损耗
磁性元 件损耗 铁耗 涡流损耗
B
铜耗
三、铁芯的工作状态
1、分类
双向磁化
励磁 方式 单向磁化
第Ⅰ类 变压器、交流滤波电感
第Ⅱ类 单端变换器中的变压器 第Ⅲ类 直流滤波电感
2、第Ⅰ类工作状态 铁芯线圈的外加纯交流励磁电压u，励磁电流双向流 动。
d dB uN NA dt dt
udt NAdB
初始条件 （L、Iav、ΔI）
初选铁芯型号
计算绕组匝数
计算气隙长度
调整铁芯型号
气隙长度 是否合理 YES 计算导体尺寸
NO
电感量L、电流平均值Iav、电 流纹波Δ I。 • 设计步骤（带气隙铁芯）
窗口面积 是否满足 YES 结束
NO
第一步：选择铁芯型号 根据选择的铁芯材料，确定最 大工作电流Im对应的磁密Bm。
N匝

B,μ μm
基本磁化曲线
B=f(H)
μi
μ=f(H) 0
H
l
1. 具有气隙或者非均匀截面的铁 芯，各段磁路中的μ值不同。 2. 常用环形均匀铁芯来等效，其 磁导率即为等效磁导率μe。
I
3、居里温度
铁磁体 μ>>μ0 顺磁体 μ= μ0 （温度低于居里温度）
铁磁 材料
（温度高于居里温度）
4、电感系数
添加气隙后，等效磁导率 下降，导致B=f(H)的斜率 变小。
1 r e 0 1 r
l0
B B1
H1
H2
H
磁路中任意一点的磁密都相等。当磁通密度达到该 铁芯材料的Bs时，铁芯就会饱和，与是否有气隙无 关。因此，无论气隙多大，铁芯磁饱和时的磁密不 会变。
6、铁芯储能
l
U
i
磁粉芯：非线性电感，中小功率（<1kW） 、中频 （几kHz-几十kHz） 宽恒导：电感，中小功率、高频（几十kHz）