前面我们分析了磁路欧姆定律和磁路的其他定律,下面我们举个例子来说明其基本概念。如图所示一个环形磁芯线圈的磁芯直径di=22毫米,外径do=36毫米,环的高度h=15毫米,所选磁芯的相对磁导率,线圈匝数N=100匝,通入线圈电流的有效值I=0.5安培,求磁芯中最大、最小及平均磁场强度,磁通、磁链和磁通密度。
下面我们来求解磁芯的有效截面积。有效截面积,带入数据经过计算得到105毫米平方,也就是等于1.05的厘米平方。
第二个是求磁路的平均长度l。平均长度。线圈产生的磁势。
下面我们来求解磁芯中的磁场强度。我们知道磁芯中最大磁场强度发生在内径处,最小磁场强度发生在外径处,那么最大磁场强度,而最小磁场强度,那么平均磁场强度H等于磁势除以平均周长,那么磁芯中的平均磁通密度。
磁芯中的磁通Φ等于磁场密度乘上截面积,磁芯线圈的磁链。从磁芯中最大和最小磁场强度可以看到内外径出的磁场强度相差很大,可见磁芯中磁场强度是不均匀的,一般希望内径和外径之比在0.8左右。
前面我们分析的磁路都不带有气隙,下面我们来分析带有气隙的串联磁路。如图所示可有气隙为δ的磁芯,其截面积为Ac,磁路长度为lc,绕一线圈N匝,那么右边是它的等效磁路图,其中磁势F=Ni,因此根据安培环路定理得到,因此。根据电磁感应定理,我们定义总电感。
前面我们推导了加了气隙以后的电感的表达式,那么实际的电感磁芯中为什么要加气隙呢?我们分析出三个主要方面的原因:
第一个,如果没有气隙,电感值将与磁芯的磁导率成正比,其大小将是受到磁芯温度和绕组电流的影响,因此很难做成一个电感稳定的电感元件。
第二个,如果加一个气隙需要在线圈中通过更大的电流才会使磁芯饱和,因此加气隙以后,有利于像开关电源中的直流滤波电感的工作情况。
为了比较加气隙和不加气隙,那么如图所示,没有加气隙的磁芯它的磁化特性曲线,特别在它线性的斜率比较陡,一旦加气隙以后它的斜率比较小,而且我们还可以看做磁芯的饱和点的电流。那么磁芯加了气隙以后,使电感饱和的电流增加了,其代价是电感就减小了,因为等效磁导率下降了。
下面我们来分析执行加气隙的第三个原因。
磁芯加了气隙以后,气隙中可以储存更多的能量,当然设计电感除了满足电路要求外,直流电感中需要储存更多的能量。那么如果不开气隙,要流过电流大,必须加长磁路,从而使得磁芯的体积和重量大大增加。