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铁粉用于60Hz滤波电感器


美国和国际法规的新增内容,都增加了对主电源线进行有效滤波的要求,为了达到这一要求,必须对共模噪音和差模(常态)噪音加以控制。共模噪音是正线和中线分别与地线之间的干扰,通常由电容耦合引致;差模噪音则是正线与中线之间的干扰,一般由晶体管、可控硅整流器(SCR)和三端可控硅开关等装置在开关时产生。当抗流器越接近噪音源时,噪音就越容易被滤除。

共模滤波要求电容器接地,安全规格又把这类电容器限制在一个较低的值,这种规范了的低电容值,使高电感值在共模滤波方面成为重要的一环。共模电感器通常需要最低的电感值为1000 µH,而且常以磁导率高于5000的巴朗形铁氧磁芯绕成。巴朗式的绕线法使每条线所产生的60Hz磁通密度在磁芯内抵消,从而避免了饱和。在共模应用中,只有在需求较显著的非平衡线路状态时,低磁导率的材料如铁粉才能有用。否则,对大部份的共模用途来说,为了达到所需的电感而增加绕线圈数,需相应加大磁芯尺寸,此举令这方法失去其吸引力。

差模抗流器通常只是单绕组,虽然以附加的形式把每个绕组连接起来,可在同一磁芯内放置超过一个差模抗流器,但巴朗(双孔)形结构还是比较常用。此等抗流器必须能承受60Hz的磁通密度而未致饱和,同时还能对高频噪音作出反应。铁粉的高饱和磁通密度高于12,000高斯(1.2T),加上均匀分布的气隙,使其十分适合这一要求。 

铁粉有磁致伸缩现象,即是说当铁粉被磁化时,它的尺寸会发生轻微的变化,此情况在音频(>20KHz)以上的应用中无关重要,但在某些60Hz的用途中,磁芯会有蜂鸣噪音出现,这种情况在E形磁芯比在环形磁芯更明显。在斩波应用中(如调光器、电机控制器)也比在正弦波中明显,还取决操作中的AC磁通密度。 

储能电感器的设计,受到铜损耗、磁芯损耗及磁芯饱和引致的温升所限制。材料-8-18-52在大约25KHz的频率中磁芯损耗最低,而材料-26-4060Hz时磁芯损耗较低,此外,材料-26-4025KHz频率以上时有较高的磁芯损耗特性,会使线圈在高频环境中出现较低的Q值,这一特性对於抑制不需要的讯号很有帮助。(参考第2733)

Percent Initial Permeability vs. Peak AC Flux Density插图所示,材料-26-40保持良好的磁导率对AC磁通密度特性。这两种材料在磁导率方面的明显增大,可以是一项颇大的优点。这种磁导率的增大可以在调光器之类的用途上看到。

10KHz低水平的正弦波与60Hz讯号递增水平的重叠实验中,可显示出当60Hz讯号增强时,高频讯号所受的电感亦会增大。这情况只在连续平均时间的讯号才出现,在即时噪音讯号时便未知是否有同等的效果。

查阅 Energy Storage Curves for 60 Hz filtering applications for -26 和 Energy Storage Curves for 60 Hz filtering applications for -40 Materials图示了材料-26-4060Hz滤波用途上的储能曲线,这些曲线已概括了percent permeability versus peak AC flux density曲线图所示的磁导率增加的影响,AC磁通密度水平亦已提供作参考。这些磁通密度对估计磁芯损耗以及测定不同电流下电感值的变化都会有帮助。

曲线图percent permeability versus peak AC flux density,指出了磁导率(电感)如何随通过线圈的电压而改变,但它未能清楚显示电感随电流变化而改变的关系。60 Hz Inductor Design的曲线图就是尝试(只是相对地)显示相对电感随电流变化而改变的关系。

图中还列出了一些不同大小的磁芯在60Hz的用途中,于102540温升时的储能限值。在温升相同时,所有不同尺寸的磁芯的磁通密度大致相同,但损耗分布却不同,尺寸大的磁芯,损耗主要是由磁芯损耗引起的;  尺寸小的磁芯,损耗则主要是由线组引起的损耗。这种现象并不单是发生在铁粉材料。 

60 Hz Inductor Design是一个设计的范例,在60 Hz Inductor Examples有一个电感设计参照一览表。

 对于一些未知高频讯号是否也像60Hz讯号那样会增加磁导率的用途,应将60Hz讯号按DC电流处理,此举会产生一个明显不同的结果,  但却是最保守的办法。


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