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消除電源中的變壓器和電感等磁性元器件困惑

 一個工程師 2022-02-18

對基礎定理和概念的透徹理解是我們逐步消去疑云的最好法寶,下面我們就來驗證這句話吧,耐心看完,必有幫助!

1、磁場

電流產(chǎn)生磁場-H,這是基本的自然現(xiàn)象,也是我們電源中磁性元器件設計應用的基礎。這里我們先不量化磁場,因為我們希望在實際電源磁性元器件設計中,我們能通過直觀的方式簡化它,專攻我們涉及到的磁場,把復雜問題簡單化。

2、怎樣認識材料的磁導率

看不見摸不著的空氣也是一種磁性材料介質(zhì),只不過導磁比較弱罷了,所以磁性材料是廣泛而存在的。

(1)怎樣理解磁導率,它的含義是什么?

你想過嗎?假如我們不用導磁良好的磁性材料,當你需要繞制一個電感,在以空氣為介質(zhì)的情況下,你會得到一個空心電感,但當你測量電感量時,你會驚訝地發(fā)現(xiàn),電感量遠遠達不到你的設計值,這是因為以空氣或真空這類弱導磁材料的磁導率μ實在是太低了,磁場感應遇到了巨大的阻力,沒法給你想要的電感量。

電感本質(zhì)是什么,還不是表征產(chǎn)生磁場或磁感應強度的能力嘛

類比電學中的電導率σ

在電學中,我們衡量某種物質(zhì)的導電性質(zhì)時,常用電導率σ去衡量(σ=1/ρ,ρ是材料的電阻率),電導率越大,意味著這種材料導電性越好,這個參數(shù)是材料本身的特性,單位是“西門子/米-s/m”,比如銅和鋁導體分別對應著不同的電導率。

真空中的磁導率μ0

國際單位制下真空磁導率如下:

這個只是真實的真空磁導率測量值,表征真空這種材料介質(zhì)的導磁特性,也就是真空的屬性,是自身的。不僅真空如此,任何材料的磁導率都是自身的屬性,正如銅、鋁等導體的電導率一樣。

真空磁導率μ0單位或量綱的含義

單位H/m,中文是“亨/米”,其含義是單位長度的真空距離上,對應這段長度的真空電感量是4*3.14159*10-7亨-H

設計中由于“亨-H”這個單位太大了,這里也可以表示為納亨-nH,也就是大約12nH/cm。常用單位的還有毫亨-mH和微亨-uH。

※在這里,你會不會想到,有些文獻在衡量一截導線時,尤其是我們使用的示波器,某些廠家會給出地線夾對應的電感量,通常會給10nH/cm這個值,也是接近我們真空磁導率這個值的。

(2)良導磁材料或磁性材料

非磁性或弱磁性材料的磁導率和真空磁導率大致相同,如空氣、銅、鋁以及一些絕緣材料等。

注:沒有絕對的絕緣體,更沒有絕對的絕磁材料或介質(zhì),導體和導磁材料沒有關聯(lián)。

我們就以電源中常用的磁性材料切入,無非是這么幾種,如,硅鋼片、鐵氧體、非晶、納米晶、磁粉芯大類,這些是我們設計制作磁性元器件最為常用的磁性材料。關于常用磁性材料的分類,包含了合金類、粉芯類、鐵氧體。

3、為什么我們要用相對磁導率μr

為什么?當然是為了方便書寫和記憶,我們的大腦總是偏愛規(guī)整的東西嘛。我們清楚地看到,真空或空氣磁導率:

包含一項10-7的冪,這可是一串小數(shù)。比如我們常用鐵氧體的磁導率,我們會說常溫25℃,特定頻率下是2300,對是2300,我們并沒提及它的量綱或者單位,所以這是個相對磁導率μr

也就是說某種鐵氧體材料介質(zhì),相對空氣或者真空,它的磁導率是空氣或真空的2300倍,咋一看是很大,但是在巨大的負冪次方下,依舊是一串小數(shù),不信你可以用2300乘以真空磁導率,所以我們借助相對磁導率μr來規(guī)整磁導率。

4、為什么要用導磁良好的磁性材料做為磁性元器件的導磁介質(zhì)?

在電源設計中,我們涉及到的多數(shù)磁性元器件,如變壓器和電感,為了權(quán)衡獲得一定的電感量和合適的磁性元器件體積,我們在線圈中插入了良好的磁材料介質(zhì)

你不用繞制很多匝線圈,就可以得到你想要的的電感量。

很多匝線圈,暫且不考慮銅損,匝數(shù)帶來的體積增大也是你無法接受的。

所以,至少,磁性材料做為磁芯是兼顧電感量和元件體積的不二選擇。

5、我們怎樣簡化對磁場的認識?

磁學復雜嗎?當然,我數(shù)學不好,很難!

電源工程師以什么角度切入,才不會感覺迷茫呢?

我這里定義一個自悟的定義也好吧,對,是規(guī)則磁場的概念,這是我的理解,大家也可以根據(jù)描述自行理解它!

認識規(guī)則磁場,我這里怎樣去定義規(guī)則磁

如下,假設一個環(huán)形電感

當電流通過線圈時,電流產(chǎn)生的磁場導入磁芯中,并且都被限制在磁芯介質(zhì)中,磁芯牢牢地把磁場或磁場的描述量,如磁力線限制在其內(nèi)部,這相當于給磁場一個確定的邊界,這個邊界是規(guī)則的環(huán)或者像EE磁芯那種規(guī)則形狀。

磁芯規(guī)則了,并且對磁場帶有強有力的束縛力,使其無法脫離磁芯(忽略散掉的磁),為什么能夠產(chǎn)生這么大的束縛力,這就類似電學中,電流總是流過電阻R最小的地方,在磁學中這就是磁阻Rm的作用,良好的磁性材料相對周圍空氣,磁阻Rm最小,磁場最喜歡穿越這些路徑了。

規(guī)則讓分析問題就簡單了,我們利用安培環(huán)路定理,那就是簡單的線性計算,就可以讓我們輕松設計磁性元器件的參數(shù)了,這里我們把這種磁場被限制在確定邊界規(guī)則的情況,稱為規(guī)則磁場,電源中是不是幾乎都是這樣的

對了,連接電流和磁場的橋梁是什么?

答案:安培環(huán)路定理 

安培環(huán)路定理能干什么?

答案:設計電感的核心量化公式

下次再說其它問題吧

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