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有直流和交流成分的电流的环形电感器的工程设计2006.08.05Du（利用面积乘积法）计算例：M1022（暂定名）1。该电感使用在开关电源的滤波电路，设计指标如下：⑴电感：Lo=1.7μH±20%（(at1kHz/1Vr)⑵Lf=1.7μH±20%（(at200kHz/1Vr)⑶直流电流：Idc=20A⑷交流电流：ΔI=Iac=4Ap-p⑸交流频率：f=200000Hz⑹温升：Δt≈50℃(参考）⑺铁心材料：26⑻铁心结构：环形⑼磁通密度：Bm=0.4T(预选值)⑽2。设计步骤和计算：⑴传递能力：计算式：Pe=L*I2/2(W-s)计算：I=I+ΔI/2=20+4/2=22.0(A)Pe=(1.7*10-6*222)/2=(W-s)⑵面积乘积：计算式：2*Pe*104xBm*Ku*KjKu=0.45(窗口利用系数）Kj=590(粉末铁心结构常数50℃时）x=1.14(粉末铁心结构常数x=1.14）计算：1.14=cm4⑶选择铁心：T50-26粉末铁心结构常数内径：ID=0.770cmKj(25℃）403外径：OD=1.270cmKj(50℃）590高度：Ht=0.483cmx1.14导磁率：μo=75.0y-0.12电感系数：AL=33.0截面积：Ac=0.112cm2磁路长度：MPL=3.190cm体积：V=0.358cm3密度：d=7.000g/cm3铁心质量：Wtfe=2.506g窗口面积Wa=0.4654cm2面积积Ap=0.0521cm4⑷计算电流密度：计算式：J=Kj*Apyy=-0.12(参看：粉末铁心结构常数，y=-0.12）计算：J=590*0.0521^-0.12=841.01A/cm2P10.05420.000411Ap=cm4Ap=2*0.000411*10^40.4*0.45*590IDODH⑸计算需要的导线：5-1导线截面积：计算式：Idc+ΔI/2J计算：20+4/2841.01=0.0262cm25-2导线选择：线径：Φd=1.80mm[Φd=1.825mm]截面积：Awb=0.0254cm2=2.5434mm2种类：PEW电阻：Ω/m=0.007007[Max]带绝缘外径：1.914mm带绝缘截面积：Aw=0.0288cm2每米概算重量：22.9g/m⑹可绕匝数：6-1铁心有效窗口面积：计算式：Wa-eff=Wa*S3[S3=0.75典型数据]计算：Wa-eff=0.4654*0.75=0.3491cm26-2可绕匝数：计算式：N=Wa-eff*S2/Aw(匝)[S2=0.6典型数据]计算：N=0.3491*0.6/0.0288=7.28Ts⑺实际绕线匝数：计算式：Ncoil=(Lo/AL)0.5计算：Ncoil=(1.7*10-9/(33*10^-12))0.5=7.18Ts取整：N=7.0Ts⑻初始电感量验算：Lo=N2*AL=7*7*33=1.62μH⑼绕组电阻的计算：9-1绕组的平均匝长：MLT=3.14*((Ac/Ht+Φd/2)*ATAN(Ac/Ht2)+Ht*ATAN(Ht2/Ac))=2.156cm9-2绕组的线长：Lcoil=MLP*N=2.156*7=0.15m9-3绕组电阻：Rdc=Lcoil*Ω/m=0.15*0.007007=0.001057ΩP2(Awd*100/π)0.5*2=Awb=cm2Awb=(日本天满电线数据)⑽铜损的计算：10-1直流铜损计算：Pdc=(Idc)2*Rdc=20^2*0.001057=0.423W10-2交流铜损计算：绕组导线的高频趋肤深度：df=6.61/f0.5cm=6.61/(200000)^0.5=0.0148cm绕组导线的等效高频电阻(200kHz时)：Rac=Ω/m*Lcoil*Awb/AacAac=π*((Φd/2)2-((Φd/2)-10*df)2)(mm2)=0.0035Ω[高频时导线的有效载流面积]交流铜损计算：Pac=Iac2*Rac=4^2*0.0035=0.056W10-3绕组铜损：Pcu=Pdc+Pac=0.479W⑾工作磁通密度的计算：计算式：0.4*π*N*(ΔI/2)*μ*10-4MPL计算：Bac=(0.4*3.14*7*(4/2)*75*10^-4)/3.19=0.041T⑿铁损计算：12-1单位铁损的计算式：W/kg=kxfxxBacyk=0.144[-26#铁粉]x=1.12[-26#铁粉]y=2.01[-26#铁粉]单位铁损：W/kg=0.144*(200000)^1.12*(0.041)^2.01=206.280(W/kg)=0.206W/g12-2铁损计算：Pfe=mW/g*Wtfe=0.206*2.506=0.517W⒀总损耗：PΣ=Pcu+Pfe=0.451+0.517=0.996W⒁单位表面耗散功率：绕组外径：D=OD+3*Φd=1.81cm绕组宽度：h=Ht+3*Φd=1.023cmP3（T）Bac=IDODHD/2h表面积：Wa=2*π*(D)2/4+π*D*h-2*π*ID2/4*(1-S3)=10.72cm2单位表面耗散功率：Ψ=PΣ/Wa=0.996/10.7=0.093W/cm2⒂预计温升概算：(说明：在无风的环境中，按55%的辐射和45%的对流组合方式进行散热）环境20℃：ΔT20=58.52℃环境30℃：ΔT30=56.90℃环境40℃：ΔT40=55.35℃环境50℃：ΔT50=53.88℃⒃铁心上的直流偏置磁场强度和线圈的电感量：16-1铁心上的直流偏置磁场强度：计算式：计算：Hdc=(0.4*3.14*7*(20+4/2))/3.19=60.63Oe16-2在此偏置下线圈的电感量：查-26#铁粉磁材在直流60(Oe)偏置时的初始导磁率的百分数约为60%左右，此时线圈的电感量约为：Lg=Lo*60%≈0.97μH⒄无负荷时1kHz/1Vr；200kHz/1Vr的电感量（Lo）：查-26#铁粉材在1.0kHz时的导磁率相对初始值没有变化，此时(1kHz)线圈的电感量即L1k=Lo=1.62μH查-26#铁粉磁材在200kHz时的导磁率约为68左右，相对初始值的百分数约68/75≈90%，此时线圈的电感量约为：L200k=Lo*90%≈1.46μH⒅小结：M1022铁心：T50-26导线：Φ1.80mm线种：PEW匝数：7.0Ts电感量：L1=1.62μH/at1.0kHz[1.7*95%]L2=1.46μH/at200kHz[1.7*85%]L3=0.97μH/在电路工作状态时的直流磁场偏置下电流：Idc=20.0AatDCIac=4.0Aat200kHz总损耗：1.024W其中：铁损≈0.517W铜损≈0.507W温升概算值：环境20℃58.5℃[电感表面温度约78.5℃]环境50℃53.9℃[电感表面温度约103.9℃]P4Hdc=0.4*π*N*(Idc+ΔI/2)MPL⒆资料：19-1USAMicrometals铁粉末铁心（节录）：内径截面面积面积乘积磁路长度质量导磁率电感系数cmcm2cm4cmgμALT30-260.3840.0650.0081.830.875.033.0T37-260.5210.0700.0152.321.175.028.0T44-260.5820.1070.0282.672.075.036.0T50-260.7700.1210.0563.202.775.032.0T68-260.9400.1960.1364.245.775.042.0T72-260.7110.3690.1473.9910.475.087.0粉末铁心结构常数Kj(25℃）Kj(50℃）xy4035901.14-0.12[变压器与电感设计手册（中国电子变压器专业委员会内部参考资料）]19-2嘉成电子公司铁粉末铁心（节录）：内径外径高度磁路长度截面面积体积电感系数mmmmmmcmcm2cm3ALT30-263.8407.83.2501.840.0610.11033.5T37-265.2109.533.2502.310.0640.14728.5T44-265.82011.24.0402.680.0990.26637.0T50-267.70012.74.8303.190.1120.35833.0T68-269.40017.54.8304.230.1790.75943.5T72-267.11018.36.6004.010.3491.40090.019-326号铁粉材质铁损：①USAMicrometals公司提供的μ=75，26#铁粉末铁心铁损计算式：P=0.144*f1.12*Bm2.01W/kgf：频率HzBm：磁通密度T[变压器与电感设计手册（中国电子变压器专业委员会内部参考资料）]②嘉成电子提供的铁粉末铁心的铁损曲线：P5型号型号19-4铁粉末铁心的导磁率和磁场强度的关系：①嘉成电子铁粉末铁心的导磁率和磁场强度的关系曲线：②东阳东磁有限公司提供的铁粉末铁心的导磁率和磁场强度的关系曲线：P6东阳东磁有限公司65%60Oe初始导磁率百分数与直流磁化强度的关系曲线(嘉成电子)导磁率百分数与直流磁化强度的关系曲线(嘉成电子)19-5铁粉末铁心的导磁率和频率的关系：嘉成电子提供的铁粉末铁心的导磁率和频率的关系曲线：19-6电感线圈表面温升的计算：（以下内容为节录自中国电子学会2006年变压器和电感器件专业学术年会论文集中杜保明的文章）假设热能是通过铁心或线圈绕组的暴露表面均匀消散的，当绕组或铁心的温度高于周围环境的空气温度时，热量就将通过热辐射的方式和热对流的方式向周围传递。热辐射方式的散热能力为：Wr=Kr×ε×（Tt4–To4）式中：Wr表面的辐射散热能力（W/cm2）Kr5.70×10-12ε辐射系数，一般情况下ε≈0.95Tt物体表面绝对温度（K）To周围环境的温度（K）热对流方式的散热能力为：Wc=Kc×F×Δtη×P0.5式中：Wc表面的对流散热能力（W/cm2）Kc2.17×10-4F相对空气摩擦系数，垂直表面的F≈1.0Δt物体表面温升（K）η指数值，1.0~1.25，取决于表面形状和位置P相对大气压力（海平面处=1，低海拔处≈1.0）总的散热能力为两种散热能力相加：Ws=kr×Wr+kc×Wc=kr×[Kr×ε×(Tt4–To4)]+kc×[Kc×F×Δtη×P0.5]式中：kr辐射散热比率kc对流散热比率一般情况下，对同一物体而言，单位表面积需要发散的热功率按55%的热辐射和45%的热对流组合实现（既Ws=0.55×Wr+0.45×Wc），当预知环境空气温度后，可以得到如下的发热物体的温升概算式：ΔT=（0.55×Δr+0.45×Δt）/2=(0.55×(((Ws+k1)/(5.13×10-12))1/4–k2)+0.45×(Ws/(2.7×10-4))1/1.2)/2[℃]式中：Ws单位表面积需要耗散的热功率（W/cm2）k1和环境空气温度有关的系数（见下表）k2和环境空气温度有关的系数（见下表）P7实效导磁率和频率的关系曲线(嘉成电子)表：不同环境空气温度时系数k1，k2的值：环境温度℃-10020304050k10.024540.028500.037810.043240.049240.05584k226327329330331332319-7铁粉末铁心的温度特性简介：（节录自东阳东磁有限公司产品介绍）铁粉磁心适用于-55℃~+125℃的温度范围。当磁心长时间处于较高的温度环境中，会导致电感和品质因数（Q）的永久性降低。这种特性的偏离程度取决于时间长短，温度高低，磁心大小，频率高低和磁通量密度大小等因素。……铁粉磁心外均涂有保护漆层，各种涂层在60Hz下的最小介质绝缘强度为600V。P8