镍锌铁氧体【学术论文】基于阻抗特性的磁环应用研究

概括

在简要介绍磁环的基本特性及其抑制电磁干扰机理的基础上，分析了磁性材料、尺寸和绕组数三个因素对磁环阻抗的影响。同时，基于某变频分体壁挂式空调室外机的设计实验，验证了磁环的阻抗特性与其抑制电磁干扰能力的关系。即在不饱和的情况下，应用场合磁环的阻抗越大，抑制电磁干扰的能力越好。能力越强；并且，由于具体应用中的阻抗特性不一定与供应商提供的相同，因此需要根据使用过程中的实际情况对磁环进行评估，从而为电子设备的电磁兼容性能整改实验提供指导。

中文引文格式：王辉，万金明，曾英玉，等。基于阻抗特性的磁环应用研究[J]. 电子技术应用，2019，45(5)：105-110。

英文引文格式：Wang Hui, Wan, Zeng, et al. 基于核的研究[J]. , 2019, 45(5): 105-110。

0 前言

随着电力电子技术的快速发展，电气系统的功能越来越智能化、小型化。与此同时，各种功率开关器件的开关频率和输出功率也在不断提高，由此带来的电磁兼容（EMC）问题也日益突出。为了满足国家标准和出口要求，电子设备必须在复杂的干扰信号下正常可靠地工作；同时，对空间内、同一电网上的其他电器的干扰一定要小，避免工作时影响其他设备的使用，这一点更为重要。它在很大程度上限制了电子设备工作时发出的电磁干扰能量。因此，如何针对不同的电磁干扰正确选择电磁干扰抑制元件成为人们关注的问题。

滤波是提高电子电气系统电磁兼容性能的重要手段之一。与电力电磁干扰滤波器相比，磁环因其结构简单、使用方便、可靠性高、成本低而在家电领域得到广泛应用。 EMC整流已成为抑制电磁干扰最简单、最常用的方法之一。但由于磁环生产没有统一的标准，同一代号的不同厂家的磁环表现出不同的特性，不同应用环境下磁环的性能特性也会发生变化，从而影响整流效率。本文将从理论分析和实验验证两个方面详细阐述实际工程应用中磁环的阻抗选择问题。

1 磁环的基本特性及抑制电磁干扰的原理

磁环的工作状态一般是单匝或多匝导线穿过其中。在传输电缆上放置磁环相当于在线路上插入非线性阻抗。从物理意义上来说，它改变了线路局部高频电路参数，增加了环路阻抗，从而提高了高频。它减少了频率能量的损失，抑制其传播，并抑制干扰电流[1]。

磁环的动态特性比较复杂。一般来说，可以采用串联电阻和电感的方法来近似模拟高频磁环[2-3]。其中，电阻模拟磁环的磁滞、涡流和残余损耗，电感模拟磁环的饱和特性。等效电路如图1所示。磁环的总阻抗Z(f)为：

在低频阶段，铁氧体磁芯表现出很低的感抗值，通过磁环的低频电流几乎可以无衰减地通过；而在高频段，阻抗增大，其感抗分量仍然较小。电阻分量迅速增加。此时电阻值大于感抗，且以阻性为主。它相当于一个品质因数很低的电感，因此可以在很宽的频率范围内保持高阻抗，从而提高高频滤波性能。 [4]。

当磁环安装到电缆上时，它充当衰减滤波器。当干扰源与负载很近时，磁环的插入损耗A约为：

其中，Zf为磁环阻抗，Zs为源阻抗，ZL为负载阻抗[5]。

磁环在使用过程中，主要需要考虑三个因素，即磁性材料、磁环尺寸和匝数。

1.1 磁性材料的选择

常见的磁性材料有铁氧体、非晶和金属磁粉芯。其中，金属磁粉芯受到磁环尺寸的很大限制[6]，而非晶材料的成本稍高。因此，在成本控制比较严格的家电行业，多采用铁氧体作为核心材料。

抑制电磁干扰的直观原因是磁环在交变磁场下磁化后的高阻抗特性[7]。为了表达磁性材料磁化的难度，引入了磁导率u，它是随频率变化的重要参数。一般来说，u=u′-ju″。其中，u′表示磁化过程中储存的能量，反映磁环的电抗； u”代表磁性材料在磁化过程中的损耗，反映磁环的电抗。电阻决定了EMI被吸收并转化为热能消耗的能力[8]。

抑磁元件一般采用锰锌和镍锌两大系列的铁氧体。锰锌磁环相对磁导率高，低频阻抗大，高频阻抗小；镍锌磁环的相对磁导率低，低频阻抗小，高频阻抗大[9]。典型锰锌铁氧体和典型镍锌铁氧体的磁导率曲线如图2所示，其中实线和虚线分别代表复磁导率的实部和虚部。

根据材料的特性曲线不难看出，锰锌铁氧体的u′较高，但代表损耗的u″从某一频点开始迅速下降，因此其频率范围为抑制电磁干扰范围窄； 镍锌铁氧体磁导率下降比锰锌材料慢，因此应具有更宽的频带和更高的应用频段。

1.2 磁性尺寸的影响

选择穿过磁环的单根导线作为研究对象，分析加载磁环后的阻抗Zl。据文献[10]报道：

其中，ω为输入电流的角频率，Le为导体的外电感，μ为材料的复磁导率，μ0为真空磁导率，l为磁环长度，K为磁环的形状系数。可见，加载磁环后的阻抗不仅与磁环的材料（磁导率）有关，而且与磁环的尺寸和形状密不可分。

可以通过仿真来研究磁环尺寸的影响。具体来说，在ANSYS中建立磁环模型，以磁环的长度H和内径R为变量进行参数扫描。仿真模型如图3所示。其中，H扫描范围为13~17.5 mm，R扫描范围为7.5~12 mm，扫描步长为0.5 mm。注意阻抗Z随H和R变化的趋势。

图4仿真结果中的曲线分别表示频率为30 MHz、20 MHz和10 MHz时磁环阻抗随磁环长度和内径的变化。

可以看出，磁环的阻抗随着磁环长度的增加而增加，随着内径的增加而减小；并且随着频率的增加，阻抗增加的趋势变得更加明显，即在较高的频率下，通过增加磁环长度或减小内径来增加磁环阻抗的效果会更加明显。总之，磁环在实际使用时，为了获得较大的阻抗，磁环的尺寸应尽可能长，并且磁环的内径与线径相近。

1.3 绕组匝数的确定

由式（1）可知：

式(5)中，μ0为自由空间磁导率，一般取常数4π×10-9 H/cm； N表示磁绕线圈的数量； Ae为有效磁路面积； le 是有效磁路长度[11-12]。

因此，磁环的阻抗与绕组数N的平方成正比。理论上，在同一个磁芯上，匝数越多，阻抗值越高。但随着匝数的增加，线间的寄生电容也会增加。此时，如果磁芯材料的电导率较低，则整个器件的寄生电容主要是由线间寄生电容引起的，其阻抗峰值会向低频方向移动。如图5所示。更严重的是，由于寄生效应，匝数的增加甚至可能导致阻抗下降（详见2.1节）。

2 磁环阻抗特性与其抑制能力关系的实验验证

2.1 实验背景概述

了解了磁环抑制电磁干扰的机理后，为了达到满意的抑制效果，人们希望磁环装入电缆后引入的阻抗尽可能大。但在实际使用中，关于磁环的“阻抗”，在同一型号规格和绕线匝数下，不同的电缆长度、型号、绕制方式会导致磁环的阻抗不一致。也就是说，同一个磁环在不同的应用场合所产生的抑制效果很可能不一致。因此，从这个角度来看，虽然磁环厂家在提供产品时也会提供磁环的阻抗特性曲线作为参考，但用户在使用磁环作为抗干扰器件时，仍然需要根据实际情况进行磁场分析。 -EMI设备。掌握环的阻抗特性。

例如，某磁环在1~3匝条件下在1~100 MHz的阻抗特性曲线如图6所示。其中，图(a)中的曲线是由磁环制造商直接提供的，图(b)中的曲线是在一定应用条件下的测试结果。使用此磁环过滤电磁干扰时，根据厂家曲线，该频率点导线三匝阻抗值最高（700Ω左右），达到最佳效果。但在此应用条件下，参考测试曲线可知，绕制3匝时，阻抗仅为300Ω左右，而绕制2匝时，阻抗可达到500Ω以上。显然，在100 MHz处，由于匝数的增加，引入了更大的寄生效应，导致该频率点匝数的增加引起阻抗的衰减。此时磁环的匝数应为2匝，与厂家提供的结果不一致。

基于以上分析，对于电子电气系统来说，在应用磁环过滤干扰能量时，只有充分了解磁环在各种应用中的特性，才能合理利用它们，从而最有效地解决电磁干扰问题。磁环厂家给出的磁环基本参数是特定情况下的测试结果，给出的磁环参数是有限的。一般不给出特定频段的动态参数，不方便选择磁环模型。确定和应用。基于以上，在磁环的实际应用中，有必要对磁环的阻抗特性进行验证。

2.2 实验设备介绍

本实验使用电流卡尺（频率范围为10 kHz~500 MHz）和频谱分析仪（频率范围为9 kHz~3 GHz）测量变频零火线上安装不同磁环前后的150 kHz分体式壁挂式空调室外机。当前频谱约为 100 MHz。为了保证不受外界杂波信号的干扰，实验在电磁屏蔽室中进行。实验装置如图7所示，它采用多种磁环来保护电源线不传导电流。重点研究加载磁环前后电力线电流频谱的变化，并将这些变化与磁环本身的特性阻抗对应起来考虑，找出两者之间的关系。注意实验时必须将零火线绕入磁环内，以免饱和影响判断。

其中，未加磁环时卡尺捕获的电源线的电流频谱如图8所示。可以看出，13.33 MHz频点处电源线的传导电流发射值较高。，即 84.78 dBμV。测试中采用了不同阻抗特性的磁环，通过比较13.33 MHz频点处的发射值来判断其电磁干扰抑制能力。

2.3 实验对象

磁性材料的种类很多，每种磁性材料都有多种型号和不同的性能。本实验重点研究变频空调系统常用的10种磁环在电力线传导电流作用下的响应特性。为了便于区分，将这10种磁环分别编码为01、02、03、04、05、06、07、08、09、10，如图9所示，显示了磁环的尺寸信息如表1所示。由于空间限制，电源线上每个磁环的匝数为：07为1匝，09为3匝，02、05为4匝，01、03、04为5匝， 06、08 和 10。锁定。

研究过程中，将使用阻抗分析仪（频率范围：~）测量磁环在所用绕组数下在传导干扰频段~30MHz的阻抗特性曲线。为了保证结果的准确性和可靠性，测试所用电缆与变频分体壁挂空调室外机零火线同型号（两根线径为0.75mm2的RV90电线）），并保证绕制方式为单层、均匀绕制，以便与使用情况一致。例如，对于编码09磁环（三圈），如图10所示。

最后磁环阻抗特性的测试结果如图11所示，m1～m10分别记录磁环01～10在13.33MHz下的阻抗值。可以看出，按照从大到小的顺序，根据下图，01、08、06、04、05、02、09、10、03、07磁环在13.33MHz频点对应的阻抗值绕组匝数依次为（单位：Ω）：2 890、2 567、2 060、1 263、1 176、550、490、444、367、129。

另外，从表1可以看出，磁环01体积最大，匝数最多，材质为镍锌材料。对比图11的测试结果，此时磁环01的阻抗值最大。

2.4 实验结果

本实验主要对电源线是否带磁环、不同磁环类型、不同磁环匝数三种情况进行电流卡尺监测，并对零火线上的导通电流频谱进行分析比较电源的。需要说明的是，每个磁环都放置在电缆的中间，并且每种磁环的数量固定为一个。关注磁环对电源线传导电流频谱的影响，通过电流卡尺监测加载磁环前后的电流频谱进行比较，得到磁环引起的衰减。数据如图12所示。

从图12可以看出，加载前后电流频谱的差异均为正值，说明磁环对电流发射值有衰减作用，不会增加其发射值。加载磁环后，电源线上的传导电流受到一定程度的抑制。本实验重点关注在不加磁环时电流幅值最高的13.33 MHz频点。磁环引起的衰减从大到小依次为：01、08、06、04、05、02、09、10、03、07。对应2.2节的阻抗测试结果可以看出，各磁环的阻抗值与电源线电流引起的衰减变化一致。也就是说，磁环的抑制效果取决于传导电流频率范围内的阻抗。阻抗越高，引起的衰减越大，磁环的抑制效果越好。值得注意的是，此时磁环的阻抗测试条件需要尽可能与实际使用一致，这样得到的阻抗值才能与实际衰减一致。在EMC整流测试中，可以根据磁环真实的阻抗特性曲线来选择磁环。

最后，将变频空调系统中常用的10种磁环按其应用频段和各种可能的绕数进行了总结，以便设计者和开发人员在选择磁环之前对磁环进行综合评估。

3 磁环滤波器设计要点

电磁干扰现象非常复杂，电路结构也多种多样。为了满足各种情况的需要，发挥磁环过滤的整体性能，在使用过程中还应注意以下几点，避免“试用”、“误用”和“误用”。使用”。

(1)绕组线圈数的选择。在同一磁环上，当绕组数N增加时，理想情况下阻抗增加到原值的N2倍，因此磁环引起的衰减增大。但值得注意的是，增加匝数虽然可以提高低频阻抗，但由于匝间寄生电容的影响，高频阻抗反而会下降。因此，在磁环的工程应用中，不要盲目增加匝数来增强磁环的干扰抑制能力。当需要抑制较宽频段的干扰时，可以在两个磁环上缠绕不同的匝数。

(2)环路阻抗的影响。磁环用于高阻抗电路时影响不大。从式（2）可以看出，假设某个磁环在某个频点的阻抗值达到300Ω，此时电路中的ZS和ZL为150Ω，则该磁环所能衰减的量达到6 dB；如果ZS和ZL 如果ZL为300Ω，则该磁环实现的衰减仅为3.5dB。这时就需要选择阻抗较高的磁环来匹配高阻抗环路，或者采用其他方法来抑制电磁干扰。

(3)磁环的安装位置。当需要解决电磁干扰问题时，一般尽可能靠近干扰源；当需要解决电磁抗扰问题时，一般尽可能靠近敏感源。

(4)使用磁环时，一方面要正确选择阻抗值高的磁环。另一方面，也需要找到干扰源。将磁环缠绕在有干扰的电缆上是有意义的。另外，有时在整流过程中戴上磁环后，干扰并没有明显改善。这并不一定意味着磁环不起作用，但可能是除了这根电缆之外还有其他干扰源。

4。结论

磁环在抑制电磁干扰方面发挥着重要作用。本文分析了磁环抑制电磁干扰的机理，并对一系列常用磁环进行了实际阻抗测试和分析。基于变频分体壁挂空调，验证了磁环阻抗越高，抑制干扰的能力越强。在实际的EMC整流实验中，可以根据磁环的实际阻抗特性曲线来选择磁环并调整匝数，从而快速、准确地选择磁环，从而指导整流，提高整流效率，减少损耗。产品开发周期。最后细化磁环滤波器设计要点，避免实际使用中的盲目性。

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作者信息：

王辉 1、万金明 1、曾英玉 1、黄强 2

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