磁環(huán)線圈匝數(shù)諧振頻率測(cè)量及在抑制傳導(dǎo)干擾中的應(yīng)用

杜明星，杭 州，丁一夫，魏克新

（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

磁環(huán)線圈匝數(shù)諧振頻率測(cè)量及在抑制傳導(dǎo)干擾中的應(yīng)用

杜明星1，杭 州1，丁一夫2，魏克新1

（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

目前大部分文獻(xiàn)專注于磁環(huán)在電磁兼容EMC整改中的應(yīng)用和建立磁環(huán)的阻抗模型，有關(guān)諧振頻率的研究比較少。為了更有效地抑制高頻干擾噪聲，以差模扼流圈作為研究對(duì)象，研究磁環(huán)線圈匝數(shù)對(duì)諧振頻率的影響。首先通過理論分析得出電感和寄生電容是影響諧振頻率的關(guān)鍵因素；其次使用阻抗分析儀測(cè)量不同匝數(shù)磁環(huán)的諧振頻率、電感和寄生電容，量化線圈匝數(shù)引起的寄生電感和電容變化，進(jìn)而確定線圈匝數(shù)增加導(dǎo)致諧振頻率減?。蛔詈?，以電動(dòng)汽車后視鏡電機(jī)為例，分析了磁環(huán)線圈的接入對(duì)電磁干擾抑制效果的影響。試驗(yàn)證明，磁環(huán)匝數(shù)增加時(shí)，磁環(huán)抑制干擾的有效頻段降低。

磁環(huán)；阻抗；諧振頻率；電感；寄生電容

軟磁鐵氧體是一種廣泛使用的有耗材料，包括鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體，在抑制電磁干擾方面有著極其重要的應(yīng)用。磁環(huán)是鐵氧體材料的重要應(yīng)用之一。文獻(xiàn)［1］介紹了鐵氧體抑制干擾的機(jī)理，磁疇在磁場(chǎng)作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)和渦流效應(yīng)可以消耗干擾能量；文獻(xiàn)［2］建立鐵氧體磁環(huán)阻抗模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證諧振頻率以上頻段，磁環(huán)失去濾波作用；文獻(xiàn)［3］建立了更加精確的磁環(huán)阻抗模型，通過嚴(yán)格試驗(yàn)研究磁環(huán)匝數(shù)對(duì)阻抗的影響，隨著磁環(huán)匝數(shù)增加，磁環(huán)的阻抗增大。還有部分文獻(xiàn)磁環(huán)抑制干擾的應(yīng)用，文獻(xiàn)［4］研究了鐵氧體在集成濾波芯片中的應(yīng)用，其濾波效果優(yōu)于普通的LC濾波器；文獻(xiàn)［5］介紹了鐵氧體磁環(huán)抑制全封閉組合電器的快速暫態(tài)過電壓的應(yīng)用；文獻(xiàn)［6］研究了鐵氧體磁環(huán)抑制直流線路電暈效應(yīng)所產(chǎn)生的無線電干擾的作用效果。實(shí)際使用中，磁環(huán)對(duì)高頻干擾噪聲的抑制效果較好。為了加強(qiáng)抑制效果，通常將導(dǎo)線繞制成線圈，增加電路的阻抗。

本文從阻抗模型的角度，研究線圈匝數(shù)對(duì)磁環(huán)電路阻抗諧振頻率的影響，并在抑制直流電機(jī)傳導(dǎo)干擾的試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

1 磁環(huán)模型及參數(shù)分析

根據(jù)傳播路徑的不同，電路中的干擾可以分為差模干擾和共模干擾。為了應(yīng)對(duì)差模干擾，磁環(huán)通常加在單根電源線上。為了加強(qiáng)抑制效果，將導(dǎo)線在磁環(huán)上繞制成線圈，形成差模扼流圈。差模扼流圈利用線圈和磁芯的電感，對(duì)差模噪聲形成較大阻抗，產(chǎn)生抑制作用。本文選擇差模扼流圈作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究其線圈匝數(shù)對(duì)諧振頻率的影響。

當(dāng)電纜在磁環(huán)上繞制時(shí)，磁環(huán)電感L與匝數(shù)N的關(guān)系為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)；c0為磁芯常數(shù)。對(duì)于外徑為D、內(nèi)徑為d、長(zhǎng)度為h的磁環(huán)，其磁芯常數(shù)為

當(dāng)磁環(huán)套在電纜上時(shí)，可求出磁環(huán)阻抗為

磁環(huán)可等效為一個(gè)電阻串聯(lián)一個(gè)電感，因此高頻時(shí)呈現(xiàn)較大阻抗，磁環(huán)導(dǎo)線之間存在寄生電容［7］。根據(jù)電容的特性，當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，電容的阻抗較低，影響濾波效果，寄生電容等效于并聯(lián)在電阻和電感兩端［8］。磁環(huán)的等效電路模型如圖1所示。

圖1 磁環(huán)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of ferrite ring

顯然，在式（4）中，電感L和寄生電容C是影響諧振頻率的兩個(gè)重要參數(shù)。

2 磁環(huán)參數(shù)測(cè)量

試驗(yàn)選用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，使用阻抗分析儀6500B測(cè)量電路阻抗。測(cè)試的頻率范圍為0.15～108 MHz，阻抗分析儀通過掃頻的方式獲得該電路的頻率響應(yīng)。圖2為測(cè)量布置圖，分別測(cè)量線圈匝數(shù)為1、2和3匝時(shí)電路的阻抗和電感，測(cè)量結(jié)果見圖3。從圖3（a）中可以看出：在低頻段，阻抗隨著頻率增大而增大；當(dāng)頻率達(dá)到諧振頻率時(shí)，電路發(fā)生諧振，阻抗達(dá)到最大值，然后阻抗開始下降；從線圈匝數(shù)的角度對(duì)比，線圈的匝數(shù)越多，電路的阻抗越大；同時(shí)，電路的諧振頻率在減小，通頻帶變窄，對(duì)干擾噪聲的選擇性變好。圖3（b）中，在頻段0.15～8 MHz內(nèi)，電路電感基本不變；當(dāng)頻率大于8 MHz時(shí)，電感隨著頻率的增大而減小，并逐漸趨于一致；與線圈和阻抗關(guān)系相似，線圈匝數(shù)越多，則電路電感越大。

圖2 阻抗和電感測(cè)量布置圖Fig.2 Impedance and inductance measurement setup of ferrite ring

圖3 磁環(huán)阻抗測(cè)量曲線Fig.3 Measurement curves of impedance for ferrite ring

線圈之間存在寄生電容。在線圈中，信號(hào)頻率較低時(shí)，寄生電容的影響不大；當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，寄生電容的阻抗降低，為高頻信號(hào)提供通路，弱化磁環(huán)對(duì)干擾的抑制作用。線圈處于一定頻率時(shí)，線圈甚至?xí)憩F(xiàn)出容性，失去電感的作用。寄生電容并聯(lián)在電感和電阻兩端，線圈匝數(shù)增加，并聯(lián)寄生電容的數(shù)量同樣增加。顯然，并聯(lián)的寄生電容越多，寄生電容的數(shù)值越大。

文獻(xiàn)［9］提供了寄生電容計(jì)算方法，但此方法較為復(fù)雜；文獻(xiàn)［10］利用外接標(biāo)準(zhǔn)電容，測(cè)量線圈的諧振頻率，根據(jù)公式計(jì)算寄生電容，雖然該方法較為簡(jiǎn)單，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容的要求較高，選擇不當(dāng)，誤差會(huì)比較大；文獻(xiàn)［11］利用等效電路方法可計(jì)算線圈的寄生電容。

寄生電容的大小不是恒定的，隨著頻率的變化而變化。不同線圈匝數(shù)寄生電容的測(cè)量結(jié)果見圖4。測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)頻率增大時(shí)，寄生電容的大小也在增加，而且線圈匝數(shù)越多，寄生電容也越大。

諧振頻率附近頻段內(nèi)的阻抗較大，對(duì)干擾的抑制作用較強(qiáng)。磁環(huán)的作用頻段是一定的，將導(dǎo)線繞制成線圈后會(huì)改變抑制頻段的范圍，影響對(duì)高頻干擾噪聲的抑制效果。從阻抗的測(cè)量結(jié)果可以查出不同匝數(shù)下阻抗諧振點(diǎn)的頻率和阻抗，詳見表1。

圖4 寄生電容測(cè)量曲線Fig.4 Parasitic capacitance curves

表1 諧振點(diǎn)的頻率和阻抗Tab.1 Frequency and impedance value of ferrite ring at the resonance point

由表1可見，隨著線圈匝數(shù)增加，諧振點(diǎn)阻抗增大，諧振頻率降低。根據(jù)式（4），磁環(huán)電路的電感和電容是影響諧振頻率的參數(shù)。對(duì)應(yīng)諧振頻率下電感和電容的數(shù)據(jù)比較詳見表2。根據(jù)表2中的電感和寄生電容，應(yīng)用式（4）可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的諧振頻率。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，可見與測(cè)量值相比，計(jì)算誤差較小。

上述分析表明，線圈匝數(shù)影響的電路的參數(shù)，電路電感和寄生電容都隨著匝數(shù)增加，與此同時(shí)，電路的諧振頻率會(huì)降低。

表2 磁環(huán)的電感和電容Tab.2 Inductance and capacitance of ferrite ring

圖5 諧振頻率測(cè)量值和計(jì)算值的比較Fig.5 Comparison of measured and calculated values of resonant frequency

3 磁環(huán)抑制直流電機(jī)傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)

直流電機(jī)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如暖風(fēng)機(jī)、雨刮電機(jī)、后視鏡電機(jī)等。直流電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，影響整車的電磁兼容EMC（electromagnetic compatibility）特性，因此直流電機(jī)裝配到整車之前需要進(jìn)行EMC測(cè)試。參考國(guó)標(biāo)GB/T 18655-2010，測(cè)量電機(jī)正極的傳導(dǎo)發(fā)射。人工網(wǎng)絡(luò)提取電機(jī)正極干擾型號(hào)，通過6 dB衰減器傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。針對(duì)測(cè)試過程中電磁干擾超標(biāo)的情況，采用磁環(huán)抑制電磁干擾。試驗(yàn)選用磁環(huán)的初始磁導(dǎo)率為620，外徑為32 mm，內(nèi)徑為18 mm，高度為25 mm。

以后視鏡電機(jī)為例，驗(yàn)證磁環(huán)線圈匝數(shù)對(duì)諧振頻率的影響。電機(jī)傳導(dǎo)干擾測(cè)試布置圖如圖6所示。

圖6 電機(jī)傳導(dǎo)干擾測(cè)試布置圖Fig.6 Conductive interference test layout of direct current motor

測(cè)量結(jié)果如圖7所示。由圖可見，在10 MHz以上，磁環(huán)對(duì)干擾的抑制效果較為明顯；20 MHz附近，磁環(huán)繞制1匝、2匝和3匝后的電機(jī)干擾分別下降2 dB、6 dB和10 dB。隨著線圈匝數(shù)增加，磁環(huán)顯現(xiàn)抑制效果的頻率向左移動(dòng)。繞制1匝時(shí)，開始作用的頻率為17 MHz；繞制2匝時(shí)，開始作用的頻率為6 MHz；繞制3匝時(shí)，開始作用的頻率為1 Mz。顯然，通過磁環(huán)抑制電機(jī)傳導(dǎo)干擾的試驗(yàn)可以驗(yàn)證，當(dāng)磁環(huán)線圈匝數(shù)增加時(shí)，電路的諧振頻率減小。

圖7 直流電機(jī)傳導(dǎo)干擾測(cè)試曲線Fig.7 Positive conducted interference test curves of direct current motor

4 結(jié)語(yǔ)

通過前述分析可知，磁環(huán)線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其工作性能具有重要影響，文中通過研究差模扼流圈的線圈匝數(shù)對(duì)寄生參數(shù)的影響，分析了磁環(huán)線圈抑制電感干擾的性能，并通過后視鏡電機(jī)的電磁干擾的實(shí)例對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)論對(duì)更好地利用磁環(huán)線圈抑制電磁干擾具有理論指導(dǎo)作用。此外，磁環(huán)線圈的其他不同類型纏繞方式和結(jié)構(gòu)尺寸、分析方法和工作機(jī)理基本類似，使用時(shí)亦應(yīng)注意磁環(huán)線圈的阻抗特性變化規(guī)律。

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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

杜明星

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．3.50

：TM 4

：A

杜明星（1980－），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：電力電子裝置可靠性、電磁兼容等，E-mail：dumx@tjut.edu.cn。

杭州（1989－），男，碩士研究生，研究方向：電力電子系統(tǒng)電磁兼容，E-mail：109011232@qq.com。

丁一夫（1974－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電磁兼容技術(shù)，E-mail：ding yifu@catarc.ac.cn。

魏克新（1954－），男，碩士，教授，研究方向：功率變換器控制技術(shù)、電磁兼容、可靠性等，E-mail：kxwei@tjut.edu.cn。

2016-11-10

天津市自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目（14JCYBJC18 400）

Project Supported by Tianjin Natural Science Foundation（14JC YBJC18400）