基于阻抗特性的磁环应用研究：分析影响因素与验证抑制电磁干扰能力

基于阻抗特性的磁环应用研究：分析影响因素与验证抑制电磁干扰能力

概括

在简单介绍磁环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、绕制线圈数3个因素对磁环阻抗的影响。同时，结合某变频分体壁挂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之间的关系，即在不饱和的情况下，磁环在应用时的阻抗越大，抑制电磁干扰的能力越强；并且，由于在具体应用中的阻抗特性并不一定与供应商提供的阻抗特性相同，因此在使用过程中需要根据实际情况对磁环进行评估，以期为电子设备电磁兼容性能整改实验提供指导。

中文引用格式：王晖,万金明,曾英宇,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。

英文引用格式：王晖,万,曾,等.基于核的磁共振成像[J].磁共振成像,2019,45(5):105-110。

0 前言

随着电力电子技术的飞速发展，电气系统在功能上越来越趋向于智能化、小型化，同时各种功率开关器件的开关频率和输出功率也越来越大，由此带来的电磁兼容（EMC）问题日益突出。电子设备为满足国家标准和出口要求，必须能在复杂的干扰信号下正常可靠地工作；同时对空间内、同一电网内的其他电器的干扰要小，以免在工作时影响其他设备的使用，这就在较大程度上限制了电子设备工作时发射的电磁干扰能量。因此，针对不同的电磁干扰，如何正确选择电磁干扰抑制元器件，成为大家关心的问题。

滤波是提高电子电气系统电磁兼容性的重要手段之一。与电源电磁干扰滤波器相比，磁环以其结构简单、使用方便、可靠性高、成本低等特点被广泛应用于家电领域的EMC整改中，成为最简单、最常用的抑制电磁干扰的方法之一。但由于磁环的生产没有统一的标准，不同厂家生产的相同代号的磁环特性不尽相同，在不同的应用环境下磁环特性也会发生变化，从而影响整改效率。本文将从理论分析和实验验证两个方面阐述实际工程应用中磁环的阻抗选择问题。

1 磁环的基本特性及其抑制电磁干扰的原理

磁环的工作状态一般为穿过导体的单圈或多圈。在传输电缆上套上磁环，相当于在线路上串联了一个非线性阻抗。从物理意义上讲，它改变了线路局部高频电路参数，增大了其环路阻抗，从而增加了高频能量的损耗，衰减了其传播，抑制了干扰电流[1]。

磁环的动态特性比较复杂，一般可用电阻和电感串联模拟高频磁环来近似表示其效果[2-3]。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：

在低频时，铁氧体磁芯呈现很低的感性阻抗值，通过磁环的低频电流几乎可以无衰减地通过。在高频时，阻抗增大，但其感抗分量仍然很小，电阻分量迅速增大。此时电阻值大于感抗，主要表现为电阻，相当于一个品质因数很低的电感器。因此，它能在更宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高高频滤波性能[4]。

当磁环加载到电缆上时，相当于一个衰减滤波器，当干扰源与负载距离很近时，磁环的插入损耗A大约为：

其中Zf为磁环阻抗，Zs为源阻抗，ZL为负载阻抗[5]。

使用磁环时主要考虑三个因素：磁性材料、磁环尺寸、绕制线圈数。

1.1 磁性材料的选择

常见的磁性材料有铁氧体、非晶和金属粉芯，其中金属粉芯受磁环尺寸限制较大[6]，非晶材料价格稍高，因此在对成本控制相对严格的家电行业，多采用铁氧体作为磁芯材料。

抑制电磁干扰的直观原因是磁环在交变磁场下磁化后具有的高阻抗特性[7]。为了描述磁性材料磁化的难易程度，引入磁导率u，它是一个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，反映了磁环的电抗；u″表示磁性材料在磁化过程中的损耗，反映了磁环的抗干扰能力，决定了EMI被吸收并转化为热能的能力[8]。

磁抑制元件一般采用锰锌、镍锌两个系列的铁氧体。锰锌磁环相对磁导率较高，低频阻抗较大，高频阻抗较小；镍锌磁环相对磁导率较低，低频阻抗较小，高频阻抗较大[9]。典型锰锌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表示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″从某一频率点开始迅速下降，因此它抑制电磁干扰的频率范围较窄；镍锌铁氧体的磁导率比锰锌材料下降得慢，因此它应该有更宽的频带，应用频带较高。

1.2 磁性尺寸的影响

选取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。根据文献[10]：

其中，ω为输入电流的角频率，Le为导体外电感，μ为材料复磁导率，μ0为真空磁导率，l为磁环长度，K为磁环形状因子。可以看出加载磁环后的阻抗不仅与磁环的材料（磁导率）有关，还与磁环的尺寸和形状密切相关。

磁环尺寸影响的研究可以通过仿真来实现。具体来说，在ANSYS中建立磁环绕线模型，以磁环长度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。关注阻抗Z随H和R变化的趋势。

图4仿真结果中的曲线分别表示在频率为30MHz、20MHz、10MHz时，磁环阻抗随磁环长度、磁环内径的变化情况。

可以看出，磁环的阻抗随磁环长度的增加而增大，随内径的增大而减小；并且随着频率的升高，阻抗增大的趋势更加明显，也就是说在较高的频率下，通过增加磁环长度或减小内径来提高磁环阻抗的效果会更加明显。总之，在实际使用磁环时，为了获得较高的阻抗，应尽量选择较长的磁环，其内径应接近线径。

1.3 线圈数量的确定

由公式（1）可知：

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

因此磁环的阻抗和绕线匝数N的平方成正比。理论上，在同样的磁芯上，匝数越多，阻抗值越高。但随着匝数的增加，导线间的寄生电容也会增大。此时，如果磁芯材料导电率较低，整个器件的寄生电容主要由导线间的寄生电容引起，其阻抗峰值会向低频方向移动，如图5所示。更为严重的是，由于寄生效应，匝数的增加甚至会导致阻抗的下降（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

在了解了磁环抑制电磁干扰的机理之后，为了达到满意的抑制效果，人们希望磁环加载到电缆上之后引入的阻抗尽可能大。然而在实际使用中，对于磁环的“阻抗”，在相同型号规格和绕制匝数的情况下，不同的电缆长度、型号和绕制方式，会使磁环的阻抗不一致。也就是说，同一种磁环在不同的应用场合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会提供磁环的阻抗特性曲线作为参考，但在将磁环作为抗EMI器件使用时，用户还是需要根据实际情况来掌握磁环的阻抗特性。

例如，某磁环在1~3匝条件下，在1~的阻抗特性曲线如图6所示。其中，图（a）中的曲线是磁环厂家直接提供的，图（b）中的曲线是在一定的应用条件下的测试结果。当磁环用于滤除的电磁干扰时，如果按照厂家的曲线，在这个频率点上绕制3匝的阻抗值最高（约700Ω），效果最好。但是，在这个应用条件下，参照测试曲线可知，绕制3匝时阻抗只有300Ω左右，而绕制2匝时则可以达到500Ω以上。显然，此时由于匝数的增加，在时会引入较大的寄生效应，导致在这个频率点上匝数的增加导致阻抗衰减。 此时磁环的圈数应为2圈，与厂家提供的结果不一致。

根据以上分析，对于电子电气系统，使用磁环滤除干扰能量时，只有充分了解磁环在各种应用场景下的特性，才能合理使用，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均为特定情况下的测试结果，给出的磁环参数有限，一般不会给出针对某一特定频段的动态参数，不便于磁环型号的选择和应用。综上所述，实际应用中需要对磁环的阻抗特性进行验证。

2.2 实验装置

本实验采用电流钳(频率范围10 kHz~500 MHz)和频谱分析仪(频率范围9 kHz~3 GHz)测量变频分体壁挂空调器室外机零线、火线装上不同磁环前后150 kHz~100 MHz电流频谱。为保证不受外界杂波信号的干扰，实验在电磁屏蔽室内进行，实验装置如图7所示。采用多种磁环分别对电源线传导电流进行保护，重点观察电源线装上磁环前后电流频谱的变化，并将这些变化与磁环本身的特性阻抗考虑进去，寻找两者之间的关系。实验时注意，零线、火线要一起绕入磁环，避免饱和，影响判断。

未加磁环时卡钳钳住的电源线电流频谱如图8所示，可以看出在13.33MHz频率下电源线上的传导电流发射值较高，为84.78dBμV。测试中采用了不同阻抗特性的磁环，通过对比13.33MHz频率下的发射值来判断其电磁干扰抑制能力。

2.3 实验对象

磁性材料种类繁多，每种材料都有多个型号，性能各异。本次实验重点研究变频空调系统中常用的10种磁环在电源线传导电流作用下的响应特性。为方便区分，将10种磁环编号为01、02、03、04、05、06、07、08、09、10，如图9所示。磁环尺寸信息如表1所示。由于篇幅限制，电源线上各磁环的线圈圈数为：07绕一圈，09绕三圈，02和05绕四圈，01、03、04、06、08、10绕五圈。

研究过程中，采用阻抗分析仪（频率范围：100 kHz~500 MHz）测量了传导干扰频带150 kHz~30 MHz所用绕制匝数下磁环的阻抗特性曲线。为保证结果的可靠性，试验电缆选用与变频分体壁挂空调室外机零火线相同的型号（两根RV90导线，线径为0.75 mm2），绕制方式保证为单层均匀绕制，以与使用一致。例如，对于代号09的磁环（三匝），如图10所示。

最后磁环阻抗特性的测试结果如图11所示。m1至m10分别记录了磁环01至10在13.33MHz时的阻抗值。可以看出，从大到小排列，磁环01、08、06、04、05、02、09、10、03、07在各自绕制圈数下在13.33MHz频点的阻抗值分别为（单位：Ω）：2 890、2 567、2 060、1 263、1 176、550、490、444、367、129。

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

2.4 实验结果

本次实验主要利用电流钳对带磁环与不带磁环、不同类型磁环、不同数量磁环的电源线进行监测，分析比较电源线零线和火线上的传导电流频谱。需要注意的是，每个磁环都放置在电缆中间，每个磁环的数量固定为1个。重点研究磁环对电源线传导电流频谱的影响，将电流钳监测得到的加载磁环前后的电流频谱相减，得到磁环带来的衰减，数据如图12所示。

如图12所示，加载前后电流频谱差值为正值，说明磁环对电流发射值有衰减作用，并未造成其发射值的增大。加载磁环后，电源线上的传导电流受到一定的抑制。本次实验重点针对不加磁环时电流幅值最大的13.33MHz频点进行实验。磁环造成的衰减从大到小依次为：01、08、06、04、05、02、09、10、03、07。对应到2.2节中的阻抗测试结果可以看出，各个磁环的阻抗值与其造成的电源线电流衰减的变化情况相一致。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情况一致，这样得到的阻抗值才能与实际的衰减一致。在EMC整改测试中，可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，按照各种可能的绕线圈数，归纳出其适用频段，以便设计开发人员在选用磁环前进行综合评估。

3 磁环滤波器设计要点

电磁干扰现象十分复杂，电路结构也多种多样，为适应各种场合的需要，使磁环滤波发挥出整体的性能，在使用过程中应注意以下几点，避免“试用”、“误用”和“错用”。

（1）绕制线圈数量的选择。在同一个磁环上，当绕制线圈数量N增加时，阻抗在理想情况下会增加到原来的N2倍，从而增大磁环带来的衰减。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，高频阻抗会下降。因此，在磁环的工程应用中，不要一味地增加匝数来增强磁环的干扰抑制能力。当需要抑制较宽的干扰频带时，可以在两个磁环上绕制不同的匝数。

（2）环路阻抗的影响。磁环用于高阻抗电路时，几乎没有影响。从公式（2）可以看出，如果在某一频率点，磁环的阻抗值达到300Ω，而电路中的ZS和ZL为150Ω，则磁环所能达到的衰减为6dB；如果ZS和ZL均为300Ω，则磁环所能达到的衰减只有3.5dB。此时，需要选择阻抗较高的磁环来匹配高阻抗电路，或者采用其他方法来抑制电磁干扰。

（3）磁环的安装位置。在解决电磁干扰问题时，一般建议将磁环安装在尽可能靠近干扰源的位置；在解决电磁抗扰度问题时，一般建议将磁环安装在尽可能靠近敏感源的位置。

（4）使用磁环时，正确选择阻抗值高的磁环很重要。另一方面，也要找到干扰源。把磁环绕在有干扰的电缆上是有意义的。另外，有时在整改过程中戴上磁环后，干扰并没有明显改善。这并不一定意味着磁环不起作用，而可能是除了这条电缆之外还有其他干扰源。

4。结论

磁环在抑制电磁干扰中起着重要作用，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分析。结合某变频分体壁挂空调验证了磁环阻抗越高，干扰抑制能力越强。在实际EMC整改实验中，可根据实际工作磁环的阻抗特性曲线进行磁环的选择、圈数的调整，从而快速、准确地选出磁环，从而指导整改，提高整改效率，减少产品研发周期。最后提炼了磁环滤波器设计要点，避免实际使用中的盲目性。

参考

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作者信息：

王晖1，万金明1，曾颖宇1，黄强2

（1. 国家空调设备及系统节能重点实验室，广东珠海；2. 广东珠海）