磁环线圈匝数谐振频率测量及在抑制传导干扰中的应用

2017-06-05杜明星丁一夫魏克新

电源学报 2017年3期

关键词：磁环铁氧体匝数

杜明星，杭州，丁一夫，魏克新

（1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

磁环线圈匝数谐振频率测量及在抑制传导干扰中的应用

杜明星1，杭州1，丁一夫2，魏克新1

（1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

目前大部分文献专注于磁环在电磁兼容EMC整改中的应用和建立磁环的阻抗模型，有关谐振频率的研究比较少。为了更有效地抑制高频干扰噪声，以差模扼流圈作为研究对象，研究磁环线圈匝数对谐振频率的影响。首先通过理论分析得出电感和寄生电容是影响谐振频率的关键因素；其次使用阻抗分析仪测量不同匝数磁环的谐振频率、电感和寄生电容，量化线圈匝数引起的寄生电感和电容变化，进而确定线圈匝数增加导致谐振频率减小；最后，以电动汽车后视镜电机为例，分析了磁环线圈的接入对电磁干扰抑制效果的影响。试验证明，磁环匝数增加时，磁环抑制干扰的有效频段降低。

磁环；阻抗；谐振频率；电感；寄生电容

软磁铁氧体是一种广泛使用的有耗材料，包括镍锌铁氧体和锰锌铁氧体，在抑制电磁干扰方面有着极其重要的应用。磁环是铁氧体材料的重要应用之一。文献［1］介绍了铁氧体抑制干扰的机理，磁畴在磁场作用下的转动和涡流效应可以消耗干扰能量；文献［2］建立铁氧体磁环阻抗模型，通过试验验证谐振频率以上频段，磁环失去滤波作用；文献［3］建立了更加精确的磁环阻抗模型，通过严格试验研究磁环匝数对阻抗的影响，随着磁环匝数增加，磁环的阻抗增大。还有部分文献磁环抑制干扰的应用，文献［4］研究了铁氧体在集成滤波芯片中的应用，其滤波效果优于普通的LC滤波器；文献［5］介绍了铁氧体磁环抑制全封闭组合电器的快速暂态过电压的应用；文献［6］研究了铁氧体磁环抑制直流线路电晕效应所产生的无线电干扰的作用效果。实际使用中，磁环对高频干扰噪声的抑制效果较好。为了加强抑制效果，通常将导线绕制成线圈，增加电路的阻抗。

本文从阻抗模型的角度，研究线圈匝数对磁环电路阻抗谐振频率的影响，并在抑制直流电机传导干扰的试验中得到验证。

1 磁环模型及参数分析

根据传播路径的不同，电路中的干扰可以分为差模干扰和共模干扰。为了应对差模干扰，磁环通常加在单根电源线上。为了加强抑制效果，将导线在磁环上绕制成线圈，形成差模扼流圈。差模扼流圈利用线圈和磁芯的电感，对差模噪声形成较大阻抗，产生抑制作用。本文选择差模扼流圈作为研究对象，重点研究其线圈匝数对谐振频率的影响。

当电缆在磁环上绕制时，磁环电感L与匝数N的关系为

式中：μ0为真空磁导率；μ为相对磁导率；N为线圈匝数；c0为磁芯常数。对于外径为D、内径为d、长度为h的磁环，其磁芯常数为

当磁环套在电缆上时，可求出磁环阻抗为

磁环可等效为一个电阻串联一个电感，因此高频时呈现较大阻抗，磁环导线之间存在寄生电容［7］。根据电容的特性，当信号频率较高时，电容的阻抗较低，影响滤波效果，寄生电容等效于并联在电阻和电感两端［8］。磁环的等效电路模型如图1所示。

图1 磁环等效电路Fig.1 Equivalent circuit of ferrite ring

显然，在式（4）中，电感L和寄生电容C是影响谐振频率的两个重要参数。

2 磁环参数测量

试验选用镍锌铁氧体磁环，使用阻抗分析仪6500B测量电路阻抗。测试的频率范围为0.15～108 MHz，阻抗分析仪通过扫频的方式获得该电路的频率响应。图2为测量布置图，分别测量线圈匝数为1、2和3匝时电路的阻抗和电感，测量结果见图3。从图3（a）中可以看出：在低频段，阻抗随着频率增大而增大；当频率达到谐振频率时，电路发生谐振，阻抗达到最大值，然后阻抗开始下降；从线圈匝数的角度对比，线圈的匝数越多，电路的阻抗越大；同时，电路的谐振频率在减小，通频带变窄，对干扰噪声的选择性变好。图3（b）中，在频段0.15～8 MHz内，电路电感基本不变；当频率大于8 MHz时，电感随着频率的增大而减小，并逐渐趋于一致；与线圈和阻抗关系相似，线圈匝数越多，则电路电感越大。

图2 阻抗和电感测量布置图Fig.2 Impedance and inductance measurement setup of ferrite ring

图3 磁环阻抗测量曲线Fig.3 Measurement curves of impedance for ferrite ring

线圈之间存在寄生电容。在线圈中，信号频率较低时，寄生电容的影响不大；当信号频率较高时，寄生电容的阻抗降低，为高频信号提供通路，弱化磁环对干扰的抑制作用。线圈处于一定频率时，线圈甚至会表现出容性，失去电感的作用。寄生电容并联在电感和电阻两端，线圈匝数增加，并联寄生电容的数量同样增加。显然，并联的寄生电容越多，寄生电容的数值越大。

文献［9］提供了寄生电容计算方法，但此方法较为复杂；文献［10］利用外接标准电容，测量线圈的谐振频率，根据公式计算寄生电容，虽然该方法较为简单，但对标准电容的要求较高，选择不当，误差会比较大；文献［11］利用等效电路方法可计算线圈的寄生电容。

寄生电容的大小不是恒定的，随着频率的变化而变化。不同线圈匝数寄生电容的测量结果见图4。测量结果表明，当频率增大时，寄生电容的大小也在增加，而且线圈匝数越多，寄生电容也越大。

谐振频率附近频段内的阻抗较大，对干扰的抑制作用较强。磁环的作用频段是一定的，将导线绕制成线圈后会改变抑制频段的范围，影响对高频干扰噪声的抑制效果。从阻抗的测量结果可以查出不同匝数下阻抗谐振点的频率和阻抗，详见表1。

图4 寄生电容测量曲线Fig.4 Parasitic capacitance curves

表1 谐振点的频率和阻抗Tab.1 Frequency and impedance value of ferrite ring at the resonance point

由表1可见，随着线圈匝数增加，谐振点阻抗增大，谐振频率降低。根据式（4），磁环电路的电感和电容是影响谐振频率的参数。对应谐振频率下电感和电容的数据比较详见表2。根据表2中的电感和寄生电容，应用式（4）可以计算出对应的谐振频率。计算结果如图5所示，可见与测量值相比，计算误差较小。

上述分析表明，线圈匝数影响的电路的参数，电路电感和寄生电容都随着匝数增加，与此同时，电路的谐振频率会降低。

表2 磁环的电感和电容Tab.2 Inductance and capacitance of ferrite ring

图5 谐振频率测量值和计算值的比较Fig.5 Comparison of measured and calculated values of resonant frequency

3 磁环抑制直流电机传导干扰试验

直流电机在汽车领域应用广泛，如暖风机、雨刮电机、后视镜电机等。直流电机工作时会产生电磁干扰，影响整车的电磁兼容EMC（electromagnetic compatibility）特性，因此直流电机装配到整车之前需要进行EMC测试。参考国标GB/T 18655-2010，测量电机正极的传导发射。人工网络提取电机正极干扰型号，通过6 dB衰减器传输到接收机。针对测试过程中电磁干扰超标的情况，采用磁环抑制电磁干扰。试验选用磁环的初始磁导率为620，外径为32 mm，内径为18 mm，高度为25 mm。

以后视镜电机为例，验证磁环线圈匝数对谐振频率的影响。电机传导干扰测试布置图如图6所示。

图6 电机传导干扰测试布置图Fig.6 Conductive interference test layout of direct current motor

测量结果如图7所示。由图可见，在10 MHz以上，磁环对干扰的抑制效果较为明显；20 MHz附近，磁环绕制1匝、2匝和3匝后的电机干扰分别下降2 dB、6 dB和10 dB。随着线圈匝数增加，磁环显现抑制效果的频率向左移动。绕制1匝时，开始作用的频率为17 MHz；绕制2匝时，开始作用的频率为6 MHz；绕制3匝时，开始作用的频率为1 Mz。显然，通过磁环抑制电机传导干扰的试验可以验证，当磁环线圈匝数增加时，电路的谐振频率减小。

图7 直流电机传导干扰测试曲线Fig.7 Positive conducted interference test curves of direct current motor

4 结语

通过前述分析可知，磁环线圈的结构参数对其工作性能具有重要影响，文中通过研究差模扼流圈的线圈匝数对寄生参数的影响，分析了磁环线圈抑制电感干扰的性能，并通过后视镜电机的电磁干扰的实例对理论分析进行了验证。研究结论对更好地利用磁环线圈抑制电磁干扰具有理论指导作用。此外，磁环线圈的其他不同类型缠绕方式和结构尺寸、分析方法和工作机理基本类似，使用时亦应注意磁环线圈的阻抗特性变化规律。

［1］孙光飞，强文江.磁功能材料［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］Jutty M K,Swaminathan V,Kazimierczuk M K.Frequency characteristics of ferrite core inductors［C］.Electrical Electronics Insulation Conference and Electrical Manufacturing &Coil Winding Conference,1993.Proceedings.Chicago＇93 EEIC/ICWA Exposition.IEEE Xplore,1993：369-372.

［3］Cuellar C,Tan W,Margueron X,et al.Measurement method of the complex magnetic permeability of ferrites in high frequency［C］.Instrumentation and Measurement Technology Conference,IEEE,2012：63-68.

［4］Zhang Jianmin,Qiu K,Yin Liming,et al.Ferrite bead model extraction and its application in high-performance ASIC analog power filtering［C］.IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility,IEEE,2011：536-541.

［5］刘卫东,金立军,钱家骊,等.铁氧体磁环抑制GIS的VFTO的可能性［J］.电工技术学报,2002,17（4）：22-25. Liu Weidong,Jin Lijun,Qian Jiali,et al.Possibility of suppressing VFTO in GIS by ferrite rings［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2002,17（4）：22-25（in Chinese）.

［6］黄诗友,王世山.矩形截面圆环铁氧体磁芯电感器频率特性［J］.电源学报,2008,6（4）：330-333. Hang Shiyou,Wang Shishan.Characteristic of rectanglesection cirque ferrite core inductors for fre quencies［J］. Journal of Power Supply,2008,6（4）：330-333（in Chinese）.

［7］张宏,赵志斌,刘磊.铁氧体磁环抑制直流线路无线电干扰试验研究［J］.电工技术学报,2013,S2：180-184. Zhang Hong,Zhao Zhibin,Liu Lei.Test research on the suppression radio interference of DC transmission lines by ferrite cores［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2013,S2：180-184（in Chinese）.

［8］Jutty M K,Swaminathan V,Kazimierczuk M K.Frequency characteristics of ferrite core inductors［C］.IEEE Electrical Electronics Insulation Conference&Electrical Manufacturing&Coil Winding Conference,1993：369-372.

［9］Cuellar C,Tan W,Margueron X,et al.Measurement method of the complex magnetic permeability of ferrites in high frequency［C］.IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference（I2MTC）,2012：63-68.

［10］Hole M J,Appel L C.Stray capacitance of a two-layer aircored inductor［J］.IEE Proceedings Circuits Devices&Systems,2005,152（6）：565-572.

［11］陈恒林,陈玮,冯利民,等.基于阻抗测量的共模扼流圈高频建模［J］.电工技术学报,2007,22（4）：8-12. Chen Henglin,Chen Wei,Feng Limin,et al.High frequency modeling for common mode chokes based on impedance measurement［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22（4）：8-12（in Chinese）.

Measurement of Relationship of Coil Turns of Ferrite Ring and Resonant Frequency and Its Application in Suppression on Conducted Emission

DU Mingxing1,HANG Zhou1,DING Yifu2,WEI Kexin1
（1.Tianjin Key Laboratory of Control Theory&Applications in Complicated System,Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China;2.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300300,China）

The majority of published papers about ferrite ring pay attention to application in electromagnetic compatibility（EMC）rectification and impedance model.And there are few research on resonance frequency.In order to make better use of ferrite ring to suppress high frequency noise,differential mode choke is regarded as research object to acquire the relationship between coil turns and resonance frequency.Firstly,inductance and parasitic capacitance are supposed to the key influence factors of resonance frequency by theoretical analysis.Secondly,resonance frequency,inductance and parasitic capacitance of ferrite ring with different coil turns are measured by impedance analyzer.So the relationship of them is quantified,which leads to a conclusion that the increase of coil turns results in the decrease of resonance frequency.Finally, in the case of the electric car rear view mirror motor,electromagnetic interference suppression effect is analyzed in condition of the use of ferrite ring.The result provides that effective working frequency range of ferrite ring decreases with coil turn increases.

ferrite ring;impedance;resonant frequency;inductance;parasitic capacitance