常州新型扼流电感线圈技术,常州变频器变压器

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新型扼流电感线圈技术

发布时间 : 2018-03-07 14:19:16      访问量 : 6288次

1.1、提高扼流线圈的性能,较大幅度降低铜线的消耗,即较大幅度地降低制造成本。 
1.2、手段:对日字型磁回路进行优化设计,采用UUI型磁芯组成的日字型磁回路替代EE型磁芯组成的日字型磁回路,采用特制骨架替代传统骨架,采用PET介质垫制气隙,同时辅以多股绞合线绕制线包。 
2、 UUI新型扼流线圈的优点 
与EE型扼流线圈相比较,UUI新型扼流线圈具有以下优点。 
2.1、扼流线圈的性能得以提高 
2.1.1、功率损耗较低,参照表4,在气隙量为1.0㎜,同样PC40材料的情况下,3U18W灯具的功率损耗分别为2.03W(UUI16.3)和2.14W(EE19),功耗降低110mw;4U40W灯具的功率损耗分别为2.73W(UUI19.3)和3.24W(EE25) ,功耗降低510mw。 
2.1.2、灯具的开关寿命次数提高30%以上,详见表3。 
2.1.3、灯具的输入输出特性大致一样,电磁兼容没有恶化。 
2.1.4、扼流线圈电感量的一致性较好,电感误差范围很容易控制在 
±2%以内,而EE型扼流线圈的电感误差范围一般控制在±3%以内。 
2.1.5、扼流线圈的整体外观尺寸变小。 
2.2、扼流线圈的成本有较大幅度的降低 
2.2.1、节约铜材10%至30%,若辅以多股绞合线绕制,总体节省铜材比例可达20%至50%。 
2.2.2、磁芯成本增加4%,多了气隙介质,其它用料差别不大。 
2.2.3、磁芯研磨成本大幅度降低,线圈的装配成本略有上升,总体加工费用有所降低。 
2. 2.4、扼流线圈的产品合格率提高,生产过程的损耗降低。 
2.3、设备投资方面,增加了气隙介质加工设备,但研磨设备较简单,常压浸油就能达到绝缘要求(当然真空浸油的效果更佳)。 
3、UUI新型扼流线圈节省铜材、降低功耗、延长产品开关寿命的原理: 
交变电流产生交变磁场,交变磁场感应交变电流,在交变电流的作用下,日字型磁回路产生交变磁场即磁通,磁通分为主磁通,扩散磁通和旁路磁通,这些磁通都会引起损耗。 
3.1、主磁通:见图1,UUI和EE型磁芯的主磁通相同,因而主磁通引起的损耗相同,其损耗的大小与磁性材料的功耗有关。 

3.2、旁路磁通:见图2, EE型和UUI型磁芯的旁路磁通相似,因而旁路磁通引起的损耗相近。

3.3、扩散磁通: 

见图3, EE型扼流线圈的E型磁心中柱气隙处附近存在扩散磁通,扩散磁通使气隙处附近的线圈部份失去“电-磁” 的转换作用,气隙处附近的部份线圈只起填充作用。气隙量越大扩散磁通也就越大,无效填充的线圈也就越多,同时磁力线垂直穿过线包,引起一定的功耗。 
与EE型磁芯相比,UUI型磁芯设计成磁路两气隙,因而单处气隙量较小,扩散磁通大为减少;同时气隙位置远离线包,基本没有无效填充圈数。 因而线包的圈数减少(见表1),虽然减少的匝数比例不是很大,但由于减少的匝数都在线圈的外层,从而节省的铜线比例很大。同时磁力线没有垂直穿过线包,降低了线包的功耗。

图3、EE型和UUI型扩散磁通模拟图

3.4、绕组电阻与功耗:在相同的电感量、气隙量的前提下,相对于EE型扼流线圈,采用UUI新型扼流线线圈所需的匝数大为减少,即绕组漆包线长度亦相应的随之减短,根据R=ρ×L/S,绕组漆包线长度变短电阻变小,再根据功率P=I2×R,在电流不变时,电阻越小绕组的功耗越小。 

综上所述,UUI型扼流线圈节省铜材的原因在于有效地减少扩散磁通对线包的影响,基本上不存在无效填充线圈;功耗降低和开关寿命提高的原因在于扩散磁通没有垂直穿过线包及线圈的电阻减小。

表1、UUI新型扼流线圈与EE型扼流线圈铜耗比较表

灯参数描述产品型号线径mm圈数Ts气隙mm电感量mH铜重g省铜比例%3U 18W节能灯EE190.272461.03.425.88 UUI16.30.272063.464.5123.3UUI16.30.13*32063.393.5539.64U 40W火箭炮EE250.382191.03.3010.1 UUI19.30.381903.387.3427.3UUI19.30.13*61933.425.644.5

4、特制骨架和气隙介质: 
为了便于UUI新型扼流线圈的加工,把骨架设计成图5所示的特制骨架,配以图4所示的PET气隙介质。

5、多股绞合线的优点: 

当导线中通过交流电时,因导线的内部和边缘部分所交链的磁通量不同,致使导线截面上的电流产生不均匀分布, 导线表面的电流密度高,导线中心的电流密度低(见图7),这种现象称为趋肤效应,工作频率越高,趋肤效应越明显。因此在设计绕组时必须考虑趋肤效应的影响,采用小直径的多股绞合导线效果更好,并且可以节省铜材。

多股绞合线线径的选取,根据等周长公式求d1: 

πD=nπd,即d1=D/n, 
根据等面积公式求d2: 
πD2 /4=n×πd22/4,即 d2= D/n0.5 
利用d1和d2两数值采用黄金分割法求出3个直径,再将这3个直径分别用于扼流圈上进行功耗测试,选取功耗合适的那个线径作为扼流圈多股绞合线的线径。 
6、UUI新型扼流线圈的设计 
6.1 安匝数即NA值:NA值为安匝数即匝数(N)与电流(I)的乘积,它反映磁性元件的电感量与通过其线圈电流的关系,(参考《电子镇流器原理与制作》P427,人民邮电出版社 毛兴武、祝大卫 编著) 磁心的有效磁导率Ue随着通过线圈的电流I的变化而变化,因此线圈的电感量也随着电流I的变化而变化,且呈非线性关系(见图6),图中,LO为电流为零时的电感值。在电流从O增加到IS时,线圈的电感值从LA逐渐增加到最大值LM。当I>IS时,电感量则从LM开始下降。 
如果通过线圈的最大工作电流是IA,该电流下的电感值是LA,按照设计要求,LA必须满足LA/LO≥85%,否则磁心将靠近或进入饱和区。

为使电子镇流器稳定可靠地工作,必须选择一定的安匝数。若流入线圈的电流过大,LA值就会过小,磁心则趋于饱和。从图6还可以发现,对于同一电感值LB,有两个激励电流:IB1和IB2。在电子镇流器中,工作点选取IB1一般会优于IB2。外型尺寸相同但材料不同的磁 心,在同一电流下它们的LA/LO值并不相同。饱和磁通密度BS高的材料,其LA/LO之比值也就越大。当N=200TS时,同样材质(R2KBD)EE16磁芯和UUI14.6磁芯在不同气隙下的AL值,以及满足LA/LO≥85%的IA(mA)和NA值见表2。 
6.2、UUI型扼流线圈气隙量的设定:
UUI型扼流线圈的磁回路中有两处气隙,两处气隙的总气隙量须与EE型电感线圈的气隙量大小相同。可按EE型扼流圈的计算方法计算气隙量。UUI型扼流线圈总气隙量的大小由中柱I形与U形磁心接触面的两个气隙介质的厚度来确定。
例如:扼流线圈需要1.0㎜的气隙,只要把中柱I形磁心与U形磁芯的两个接触面气隙介质的厚度定为0.5㎜,I形磁心中柱与两U形磁芯装配接触后就形成两处0.5㎜的气隙,这样两处气隙的总量就等于我们所需要的1.0㎜的气隙。

 表2 、不同气隙下磁芯的IA (mA)、NA、AL气隙mm0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0EE-16IA135230331425527601689750824914NA2745.966.185105120.2137.7149.9164.7183AL202130.39680.566.459.652.14843.942UUI-14.6IA166282415467555627713760806846NA33.256.48393.4111125.4142.6152161.1169AL237.5159.3121104.589.381.571.8768.263.661注:表中的数据 a、IA值是在25℃的条件下测得的,如果在150℃的条件下,其电流IA会减少150mA,因为IA会随温度的升高而有所下降。 b、AL值单位:nH/ N2。 c、NA值是匝数(N)与电流(I)的乘积系数无量纲。

  6.3、UUI型扼流线圈匝数的确定: 

根据气隙量的大小所对应的UUI型磁芯的AL值(见表1)和相应的电感量要求计算出匝数。 
计算公式为: L = N2×AL L:nH AL:nH/N2 N:Ts 
6.4、UUI型扼流线圈代用EE 型扼流线圈: 
6.4.1、代用原则:代用时必须遵守电感量相同、气隙量相同和漆包线线径相同的原则。 
6.4.2、代用举例: 
例:已知某个电子镇流流器或节能灯上用的一个扼流线圈,其规格为EE-16电感量1.55mH、匝数166Ts、气隙量0.6mm、线径φ0.23mmQA线。用UUI1-14.6代用EE-16参数确定如下: 
UUI-14.6电感量为1.55mH,气隙量为0.6mm,φ0.23mmQA线; 
UUI-14.6匝数的计算查表1在气隙量为0.6mm时AL值是81.5 nH/N2, 
根据公式为: L = N2×AL 
推出匝数: N= (L÷AL)0.5 =(19018)0.5=137.9≈138Ts 
两个不同规格扼流线圈能够通过的最大电流(饱和点)如下:
EE-16: IA =NA/N=120.2÷166=0.724 A (at25℃) 
UUI-14.6: IA=NA/N =125.4÷138=0.909 A (at25℃)  
显然, 在电感量相同的前提下,UUI-14.6扼流线圈能够通过的最大电流大于EE-16扼流线圈。 
7、高频热效应: 
采用UUI型磁芯设计时,必须注意高频热效应的产生,如图8,当金属导体离气隙距离小于5倍气隙时,金属导体会感应高频电流引起热效应,同时改变磁力线的分布。

8、装机试验数据:

本文以电子镇流器为例说明,UUI型扼流线圈在电子镇流器上的应用和匹配,并主要从灯的开关寿命次数、正常工作时的灯电压与灯电流数值、电感线圈器件的温升情况、灯具的功率损耗、电磁兼容等方面与E型扼流圈进行对比研究。为了得到一个比较准确的数据,下面的几个测量项目选用在市场上购买的两款电子镇流器节能灯,规格分别为3U18W电子镇流器节能灯和4U40W火箭炮节能灯,在不改变电子镇流器其它电路元件的情况下,采用相同条件比对的方法进行测试。 
8.1、开关寿命次数测量: 
由于开关寿命次数与电子线路的设计参数有关,如果线路参数设计匹配恰当合理,则开关寿命的次数就比较高,反之则开关寿命的次数就会降低,通过测量结果如下:

表3   两种型号扼流线圈的开关寿命次数

灯规格型号扼流线圈型号开关寿命次数数据变化3U18WEE型3492次增加35.7%UUI型4741次4U40WEE型11233次增加31.3%UUI型14749

从测量的数据看UUI型扼流线圈能够有效提高开关寿命次数。

8.2、UUI型扼流线圈与EE型扼流线圈的温升情况: 
将产品放入50℃烤箱内(烤箱型号JC101)2小时,使用电子镇流器多点温度巡检仪(温度巡检仪型号TP-1A)进行温度测量,测量磁心与线包的最高温度,多次测量取平均值。通过测量UUI型与EE型的温升情况,结果UUI型比EE型温升大致相同或略低1到5℃。 
8.3、灯电压与灯电流: 
电子镇流器正常工作后,灯管两端的灯电压与灯电流的数值是否和电子镇流器匹配,对荧光灯灯管的工作寿命影响很大,如果灯电流偏小亮度不够,如果灯电流偏大,就会大大缩短灯管的工作寿命。通过测量结果如下:

  表4、3U18W电子镇流器节能灯机板数据比较

灯规格型号扼流线圈型号灯电压有效值灯电流有效值灯电流波峰比灯功率3U18WEE型扼流线圈 94.8V0.153A1.6314.15WUUI型扼流线圈94.8V0. 153A1.6214.10W4U40WEE型扼流线圈 169.60.1611.5128.15 WUUI型扼流线圈181.00.1561.5128.15 W

测量的数据表明,UUI型与EE型输出特性几乎完全一致。

8.4、UUI新型扼流线圈与EE型扼流线圈的功率损耗情况: 
在气隙量和电感量相同的情况下,将UUI型扼流线圈与EE型扼流线圈分别接入电子镇流器节能灯,测量输入功率与灯输出功率损耗的数值,具体的数据见表5。

表5、UUI新型扼流线圈与EE型扼流线圈功率损耗比较表

灯规格型号线径mm圈数TS电感量mH输入功率W输出功率W损耗W3U 18WEE190.272463.4216.2914.152.14UUI16.30.272063.4616.1614.102.06UUI16.30.13*32063.3916.1814.152.034U 40WEE250.382193.3031.3928.153.24UUI19.30.381903.3828.5826.052.53UUI19.30.13*61933.4230.8828.152.73
    

从上表看出,UUI16.3 扼流线圈比EE19扼流线圈的功率损耗少110mW,UUI19.3扼流线圈比EE25扼流线圈的损耗少510mW,从而证明了UUI扼流线圈在功率损耗方面优越于EE型扼流线圈,更能满足EUP认证的要求。 

8.5、电磁兼容: 
电磁干扰(EMI)造成的电磁污染,与水污染和空气污染,被称为当今人类社会的三大污染源,威胁着电子设备的安全运行、威胁着人类的健康,是社会生活的“黑客”,已日益引起国际社会的重视,目前欧美等国陆续制定了一系列相应的标准和措施对其进行管制。电磁干扰是因电磁波造成设备传输、通道的系统性能降低或出错的一种电磁现象。目前电磁干扰的范围和内容不仅仅局限于高频连系波的辐射与传导干扰,同时人们更多是要考虑各种的电磁脉冲(EMP)的干扰。 
对UUI型扼流线圈进行电磁兼容试验,测试结果表明,电磁干扰的曲线与幅值与使用EE型扼流线圈的电子镇流器基本保持一致,没有增加电磁干扰的幅值,说明了UUI型扼流线圈的使用不会增加电磁干扰的幅值。 
通过上述几个项目的测量比对,说明UUI型扼流线圈完全可以代用EE型扼流线圈。 
9、UUI新型扼流线圈会不会产生不良后果: 
就灯具用扼流线圈来说,只要物料及生产工艺过程控制得当,设计时注意五倍气隙安全距离防止高频热效应的产生,就不会产生其它EE型扼流线圈不会产生而UUI型扼流线圈会产生的不良后果,其它领域有待进一步认证。当然,作为一种新产品,我们也有同样的担心,就我们来说,新型磁芯的设计冲动始于2007年10月份,着手试制开始于2008年4月,一年多来,我们就新品事宜请教了许多专家,做了许多试验工作。


      其实,UUI型磁芯和EE型磁芯相比较,磁路没有实质性差别皆为日字型磁回路,只是把磁元件变二为三,气隙化一为二,同时气隙远离线包而已,因而只要注意五倍气隙安全距离防止高频热效应,UUI磁芯完全可以替代EE型磁芯。


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