一文详解电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算

　　电子镇流器是指采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。与之对应的是电感式镇流器（或镇流器）。现代日光灯越来越多的使用电子镇流器，轻便小巧，甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起，同时，电子镇流器通常可以兼具启辉器功能，故此又可省去单独的启辉器。

　　本文首先介绍了磁性材料的特性，然后根据它的特性，讨论电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算方法，包括选用磁芯尺寸、气隙大小、线圈圈数和漆包线线径等。

　　一、锰锌铁氧体磁性材料的一般特性

　　表征磁性材料的磁性参数有以下数种：

　　1、初始磁导率μ1

　　初始磁导率是基本磁化曲线上起始点的磁感应强度B与磁场强度H之比。任何一种磁性材料的初始磁导率可以按以下方法求得：用该材料做成截面积为A（cm2）的圆环，平均直径为D（cm），在圆环上均匀分布绕线N匝，在LCR电桥（例如TH2811C数字LCR电桥）上，测出其电感为L（H），则可按下述计算公式求出其磁导率

　　

　　式中，Le、Ae分别代表磁芯磁路的有效长度及有效面积，如式（1）除以真空磁导率μ0（μ0=4π×10-7（H/m）），则得到相对初始磁导率，它可以表示为：

　　

　　式（1）、（2）中，L的单位为亨（H），D、有效长度Le的单位为cm，A、有效面积Ae的单位为cm2。如D、A分别换用mm、mm2为单位，则式（2）中最后一项应换成1010。公式（2）由于除以μ0，所以是无量纲的，一般在磁性材料的工厂手册中给出的初始磁导率，就是按式（2）求得的。

　　例1有一个R5K材料磁环，其尺寸为外径12mm、内径6mm、厚4mm，试计算其相对初始磁导率。

　　解：在磁环上绕4匝线圈，测出其电感（用TH2811C数字LCR电桥在10kHz条件下测量电感）为53.1μH。直接查厂家提供的数据表，查得磁环的有效磁路长度Le=26.1mm，有效截面积为11.3mm2。如没有这些数据，作为粗略估算，其有效磁路长度可按外径和内径的平均值计算出圆环的周长来代替，即Le=π（12+6）/2=9πmm=28.2mm；有效截面积并非等于由磁环厚度与其外径、内径之差的乘积计算出的实际面积，而应考虑磁场强度（或磁通密度）沿半径方向内强外弱的线性变化，磁通并非均匀分布，故实际面积应除以2，才是其有效面积。按这样方法求得的值为12mm2，与手册表中所给数据差不多，代入式（2）得：

　　

　　根据以上计算，上述材料应为R5K材料。目前工厂使用的测量磁导率的仪器，如磁环参数分选仪UI9700，仪表指示的不是相对初始磁导率的绝对值，而是它的相对大小。

　　磁性材料的初始磁导率μi不是固定的，它随温度的变化而变化，如图1所示。图中给出的是金宁公司的磁性材料JP4A（相当于TDK的PC40）的初始磁导率随温度变化的曲线。

　　

　　（相对）初始磁导率随温度之变化

　　2、有效磁导率eμ（Effectivepermeability）

　　在闭合磁路中，用有效磁导率μe来表示磁心的导磁性能：

　　

　　式中，L为装有磁心的线圈的电感量（亨利，H），N为线圈的匝数，le为磁芯的有效磁路长度（mm），Ae为磁芯的有效截面积（mm2）。μ0为真空磁导率（4π×10-7H/m）

　　显然这里μe是相对于真空磁导率的比值，也是无量纲的。

　　如果在闭合磁路中，磁芯各段截面积不同，此时磁芯的有效磁导率为

　　

　　式中L为装有磁芯线圈的自感量（亨），N为线圈匝数，

　　Li为具有均匀截面积第i部分的磁路长度（mm）

　　Ai为该部分的截面积（mm2）

　　对于一个中心开有气隙长度为lg的E形磁芯，如忽略磁芯本身的磁阻，认为磁场强度全部降落在气隙上，则有效磁路长度即等于lg，式（4）最后一项可去掉Σ符号，简单地写作lg/Ae，如此，式（4）将变为

　　

　　因为空气隙的相对有效磁导率μe为1。以μe=1，带入上式，由此可得气隙lg的表达式为：

　　

　　式中，lg以mm为单位，Ae以mm2为单位，L以亨为单位。在国外某些公司发表的技术资料中采用式（5）作为初步估算气隙长度的依据。但如果计算出来的气隙不够大，则磁芯部分不能忽略不计，这个数值是不够准确的。

　　3、电感因数（InductanceFactor）

　　电感因数是指磁芯的单匝电感量。一个装有磁心的电感，绕有N匝线圈，其电感值为L，则磁芯的单匝电感量即电感因数AL，可按下式求得：

　　

　　AL单位为nH／匝2（有的资料省去分母不写，简写为nH）。一般取N=100，测得电感量L后，按式（6）计算出AL值，厂家在其产品手册会给出未磨气隙的每种规格磁芯的AL值以及有效磁路长度、有效截面积、有效体积等，例如PC30材料EEI3的AL值为1000nH；EE16A的AL值为1100nH；EE25A的AL值为1900nH。由于磁性材料参数的零散性，这个数值并不很准确，有+/-（15~25）%的误差。我们使用时，一般都磨气隙，由于有气隙存在，AL值虽然变小了，但是电感因子却相对稳定了，零散性也小了。为求得磨气隙后磁芯的AL值，我们可以在相应骨架上先绕100匝，装上磁心，测得其电感值L，根据式（6），即可算出开气隙后磁心的AL值。例如EE25A中心磨气隙1.6mm.后，其AL值降为59.6nH。

　　已知某种型号磁芯的AL值，要求绕制的磁芯线圈的电感量为L，可求得所需绕的线圈的匝数N

　　

　　电感量和圈数的平方成正比，圈数变化1%，电感量大约变化2%。在绕制电感时，如只在小范围内改变电感量时，可按此原则调整、估算圈数。

　　例2已知EE16（中心磨气隙0.8mm）的AL值为46.8nH/匝2，为绕制2.8mH的电感，应绕多少匝数N？

　　

　　例3已知某电感采用EE16磁芯，所绕匝数N1为305、电感量L1为4.5mH，今欲绕制的电感为L2=3.4mH，试求出应绕的匝数N2

　　

　　4、饱和磁通密度（Saturation magnetic fux density）

　　饱和磁通密度是一个很重要的参数，对镇流器是否能可靠地工作关系很大。如所熟知，当电流（或磁场）增加到某一数值后，磁芯就会饱和，磁通密度不再增加，如图2的曲线所表示的那样。此时，磁导率很低，该磁通密度称为饱和磁通密度，以B.表示之。Bs不是固定的，随温度的升高而下降，在80~100C下，比室温下低得很多。由图2可以查出，在节能灯中常用的PC30、PC40材料在25C时，Bs=510mT，而在100C时， Bs只有390mT，下降了20%多。应该指出的是，磁芯工作时允许的磁感应强度要比上述的390mT低得多，一方面因为在100C时接近300 mT附近磁芯的磁导率已开始降低，另一方面，如工作时磁芯的磁感应强度较大，则磁芯损耗亦较大（见图4）。 所以在工程计算中均取B为200~230mT作为磁芯工作时允许的最大磁感应强度值，远离磁饱和。

　　

　　在一体化节能灯或电子镇流器中所用磁性材料，如果由于工作温度升高，则其磁芯的B。值下降，造成磁导率及电感量减少，流过电感的电流上升，在电流的峰值附近出现很大的尖峰，如图3所示。这种情形是很危险的，它会导致电感量进一步减少及电流进-步加大，最终使电感失磁，L=0，三极管因电流过大、管子结温过高而损坏。

　　

　　5、磁性材料的功率损耗（Power loss of magnetic materia）

　　磁性材料的功率损耗是一个很重要的参数，它反映磁芯工作时发热的程度，损耗大，发热就厉害。带有磁芯的线圈，其功率损耗包括线圈电阻的功率损耗（俗称铜耗）和磁芯材料的功率损耗（俗称铁耗）。磁芯材料的功率损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分。

　　大家知道，磁芯中磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，并呈现出封闭的磁滞回线形状，磁滞损耗的大小与磁滞回线所包围的面积呈正比。也与频率成正比。

　　涡流损耗则是由于交变磁通穿过磁芯截面时，在与磁力线相垂直的截面内环绕交变磁通会产生涡流，涡流亦产生功率损耗。它与磁通变化的频率，磁性材料的电阻大小有关。一般磁芯材料的电阻愈大、工作频率愈低，涡流损耗煎小;反之亦然。

　　上述损耗与频率及其工作时的磁感应强度有关，工作频率煎高、磁感应强度愈大，则其损耗亦愈大。

　　

　　由图还知，在同一频率下，磁芯损耗随磁感应强度的增加而增加，例如在40kHz、100^C条件下，当磁感应强度由150mT增加到 200mT时，功率损耗密度由 50kW/m3增加为100kW/m‘ 大约增加为原来的2倍， 如果磁感应强度为300mT时，功率损耗密度将增加为250kW/m，大约增加为原来的5倍。

　　可见， 磁心损耗随其工作感磁感应强度的增加而增加。同-种材料和尺寸的磁心，在保持电感不变时，增加气隙， 能减少其磁感应强度（以后会讲到），对于降低功率损耗是有利的。或者， 在同样的气隙下， 减少电感量，就会减少磁感应强度， 也能降低磁芯的损耗。当然，如采用大一号的磁心，也会大大降低磁心的磁感立强度和它的发热程度。不过，增加气隙，虽能减少磁芯损耗，但线圈的圈数要增加，铜损会增大，而且窗口的面积会容纳不下线圈。所以，气隙的增加也是有限度的，并非愈大愈好。应对铜损和铁损两者综合加以考虑才对。

　　二、磁感应强度的计算公式

　　由交流电路基础知，在有磁心线圈的均匀磁路中，如线圈的圈数为N，电感为L，流过线圈的电流为i，则线圈两端的电压u有：

　　

　　三、磁芯气隙对磁感应强度的影响

　　磁芯气隙对磁感应强度的影响是一个很重要的问题，如何选择气隙，至关重要，我们不妨通过一个具体例子来作进一步的说明。

　　例5 已知在一拖二36W电子镇流器中，要求的电感量为2.1mH，根据在工作台。上测试，流过此电感的电流（有效值）为03A，试选用磁芯，并计算磁心的有效磁导率、磁芯中的磁感应强度B，如果不加气隙，有没有饱和的问题？如果磨气隙1.6mm，情况怎样？

　　解：首先根据经验以及电子镇流器的功率大小，我们初步选用EE25磁芯，由厂家的数据表查出：它的有效截面积Ae为39.6mm？ 电感因子Ar=1900nH，有效磁路长度为49.5mm。

　　（1）如果不加气隙，根据其厂家提供的电感因子A数据，要绕制2.1mH的电感，其圈数为：

　　

　　

　　

　　四、线圈中电流之计算及线径的选择