[科普中国]-铁心电感

铁心电感器又称为扼流圈、电抗器或电感器，在电子设备中应用极为广泛，品种也很繁多。通常，铁心电感器可分为电源滤波扼流圈、交流扼流圈(包括电感线圈)和饱和扼流圈三种，而以前两种用量最多1。

铁心电感器的种类电源滤波扼流圈电源滤波扼流圈用于平滑整流后的直流成分，减小其波纹电压，以满足电子设备对直流电源的要求。

电源滤波扼流圈的主要技术指标为： 电感量、直流电压降。电感量由所要求的波纹系数，在进行整流器和滤波器计算时确定；直流电压降影响整流器输出电压和负载调整率。

通过电源滤波扼流圈线圈的电流包括直流和交流两部分，并以直流电流为主要成分。在扼流圈铁心中存在着交直流两种磁化场，其中直流分量是主要部分。

根据滤波器的种类，电源滤波扼流圈可分为电感输入式和电容输入式两种。电感输入式滤波扼流圈具有较高的波纹电压，铁心中交流磁感应强度一般在0.1T以上；电容输入式滤波扼流圈具有较低的波纹电压，铁心中交流磁感应强度一般在0.1T以下。

电源滤波扼流圈的电感量随着直流磁化电流的增加而降低，这是由于随着直流磁化电 流的增大，铁心越来越达到饱和状态。在扼流圈铁心磁路中引入非磁性间隙可以减小电感 随直流磁化电流增大而产生的下降量，对应于给定的直流磁化电流，具有一个最佳的非磁性间隙，相应于这个最佳间隙，电源滤波扼流圈可获得最大的电感值。

交流扼流圈交流扼流圈用于交流回路中，作为平衡、镇流、限流和滤波等感性元件来使用。

交流扼流圈工作于交流状态，无直流磁化，类似于单线圈变压器。其电磁过程与变压 器的区别是： 在变压器铁心中的磁感应强度的确定取决于外施电压，与实际的负载电流无 关；对大多数交流扼流圈来说，铁心中磁感应强度的确定取决于负载电流，而与电路的外施电压无关。

交流扼流圈的电感量随交流磁场的变化而变化，而且是非线性的，只有在铁心未达到饱和时，变化才近似线性，这时，电感随交流磁场的增大而增大。在交流扼流圈铁心中插入非磁性间隙将减小其电感量，但电感随磁场的变化量也同时减小，因此变化非磁性间隙 的大小可调节电感值。当铁心中非磁性间隙增大至一定值时，在磁场变化时，电感将基本保持不变，这时的交流扼流圈将具有线性的伏安特性。大多数交流扼流圈都具有接近于线 性的伏安特性。

交流扼流圈的主要技术指标是，在某一交流电流 (固定的或有一定变化范围的)作用 下的电感值。对某些工作于高频的交流扼流圈，品质因数Q也是一个重要的技术指标。

电感线圈电感线圈多数用于高频电路中，如滤波器用电感线圈，振荡回路电感线圈，陷波器线圈，高频扼流圈，匹配线圈，噪声滤波线圈等。多数电感线圈工作于交流状态，因此，它 属于交流扼流圈范畴，是交流扼流圈的一个分支。

电感线圈的铁心以铁氧体磁芯使用最多，也有采用钼坡莫粉末磁芯，铁粉芯，铝硅铁粉芯，非晶或超微晶粉末磁芯及精密软磁合金等。

电感线圈的主要技术指标为电感量和品质因数。在某些场合，对电感的温度稳定性也 有一定的要求。

饱和扼流圈饱和扼流圈用于稳定和调压线路中，通过调节电路中的感抗来达到稳定或调节电压的 目的。饱和扼流圈至少有两个绕组，一个绕组(工作绕组) 接入调节交流电路，另一个绕 组(控制绕组) 接入直流电路。和电源滤波扼流圈及交流扼流圈不同，饱和扼流圈铁心应 是无气隙的。

饱和扼流圈铁心中存在着交直流两种磁化状态，而且交流成分很大，由于铁心磁化曲 线的非线性，工作绕组中电流波形是失真的，这在接近铁心饱和时特别明显。

饱和扼流圈的主要技术指标是： 电感量调节范围或输出电压调节范围，负载功率的最 大值与最小值，控制电流(功率) 的最大值与最小值，功率因数最小值等。

由于可控硅调压装置、磁性调压器、可调稳压变压器的技术发展，饱和扼流圈应用范 围逐步缩小，只有在大功率或特殊要求场合才使用，为此，本手册将不加详述1。

铁心电感器电感量计算基本计算式铁心电感器线圈中通以交流电流后，所产生的磁通分为两部分： 一部分是通过铁心磁 路(包括在铁心磁路中插入非磁性气隙) 的主磁通，另一部分是通过线圈与铁心柱间空隙 的漏磁通。根据电感的基本定义，我们将主磁通产生的电感称为主电感 ，将漏磁通产生 的电感称为漏电感 。铁心电感器的电感量L1应为这两部分电感之和，即

在多数情况下， ，故

除特殊情况，一般只需计算其主电感。

铁心中无气隙时的电感计算铁心电感器铁心中无气隙时，其漏电感可忽略不计，电感量按下式计算

式中：L——电感量(H)；

——铁心交流磁导率；

N——线圈匝数；

——铁心有效截面积(cm2)；

——铁心平均磁路长度 (cm)。

铁心交流磁导率 随铁心材料、铁心型式(尺寸)、工作磁感应强度 或磁场强度 及工作频率f而变化。如图1所示为铁心材料采用1J79坡莫合金、厚0.2mm的XE5 铁心在不同磁感应强度下的磁导率曲线。对一些电阻率很高的磁性材料，如铁氧体磁芯， 其磁导率在其允许工作频率范围内不随频率而变，如图2所示。而对于粉末磁芯，如 钼坡莫合金、铝硅铁粉芯、羰基铁心等，在其允许的工作频率和磁场范围内，其磁导率基 本是恒定的。

由此可见，正确地确定铁心的磁导率是电感计算的基础。

交流磁导率 可通过测试不同磁性材料和型式的铁心在不同磁场强度 (或磁感应强度)、不同频率下的电感量L后，按下式算得

铁心中有气隙时的电感计算铁心电感器中有气隙时，当忽略其漏电感，其电感量按下式计算

式中： ——铁心磁路中非磁性气隙长度(cm)。式(3) 又可改写为

式中： ——铁心的有效磁导率，按下式计算

当 时，式 (3) 具有足够的计算精度。

当 时，由于气隙磁通边缘扩散现 象(见图3)，使气隙的导磁面积增大，气隙 的有效长度变短。为此必须计算气隙边缘磁通的影响。

考虑气隙磁通扩散后，气隙导磁面积 可按 下式近似计算

气隙的有效长度为

式中： ——考虑气隙磁通扩散后的气隙有效长度(cm)；

——铁心磁路中实际的气隙长度 (cm)；

——铁心有效截面积(cm2);

——考虑气隙磁通扩散后气隙导磁面积(cm2)。

此时，在按式(3)计算电感或按式(5)计算有效磁导率时，将 代替上述式中的 。

大气隙电感计算当 时，由于气隙磁阻决定了铁心磁路中的整个磁阻，故电感量主要取决于 气隙长度。

1. 当忽略漏电感时的电感计算

式中： ——考虑气隙磁通扩散后的气隙有效长度(cm)。

2. 考虑漏电感影响时的电感计算

当漏电感不能忽略时，必须按以下公式计算漏电感 。

(1) 壳式或单线圈心式铁心电感器(见图4) 漏电感按下式计算

式中： ——漏电感 (H)；

N——电感器线圈匝数；

——线圈绕线宽度 (cm)；

——洛氏系数；

——线圈漏磁等效面积(cm2)。

洛氏系数 按下式计算

式中： ——线圈总厚度(不包括内外层绝缘) (cm)；

——线圈与铁心之间隙(cm)。

线圈漏磁等效面积 按下式计算

式中： ——线圈平均匝长(cm)。

(2) 双线圈式铁心电感器(见图5) 漏电感按下式计算

式中， 与 的计算可按式(10)和式(11)，但其中的 指每一个线圈的厚度1。

铁心电感器的主电感 按式(8)进行计算。

铁心电感器的电感L为

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所