CN113239530A - 一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，包括S1、建立等效电路模型；S2、预设最高频率f₀；S3、基于等效电路模型和最高频率f₀得到屏蔽f₀以上频率的电感量L；S4、初步选用第一磁环；S5、基于第一磁环参数和电感量L计算磁环所需缠绕的导线匝数N，以及,基于小功率通讯设备通讯导线参数和第一磁环参数计算磁环单层可绕导线圈数n；S6、基于导线匝数N和单层可绕导线圈数n，在待选用的磁环中选用尺寸和磁导率合适的磁环，重复步骤S4‑S6，直至N/n≤1；通过实用简单的方法对磁环进行科学高效的选型，屏蔽小功率通讯设备中的电磁干扰，且保证设备工作正常。

Description

一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法

技术领域

本发明涉及器件应用领域，尤其涉及一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法。

背景技术

随着信息技术的发展，越来越多的小功率电气设备，比如RTU、监控器、野外数据采集设备，配备了无线电通讯功能，但是无线电通讯很容易受到环境中的电磁干扰，从而导致通讯失效或者通讯信息错误的结果。磁环可以有效屏蔽高频电磁干扰，而环境中的电磁干扰一般都是高频噪声，所以磁环对小功率电气设备有很好的抗电磁干扰的帮助。

磁环的选择对干扰屏蔽以及解决共模干扰至关重要，如果磁环选择不正确，可能导致无法完全屏蔽电磁干扰，或者抑制正常工作信号。

由于专业电气工程师不需要磁环来进行抗电磁干扰，而需要用到磁环的非电气专业的从业者又不懂电磁兼容，不会进行相关的计算，非电气专业的从业者往往是凭经验和感觉在选用磁环，导致磁环的选用不够准确高效，从而一定程度上地浪费资源。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，通过实用简单的方法对磁环进行科学高效的选型，屏蔽小功率通讯设备中的电磁干扰，且保证设备工作正常。

本发明提供了一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，包括S1、基于小功率通讯设备的运行频率及磁环在小功率通讯设备中的特性建立等效电路模型；S2、基于小功率通讯设备的工作频率范围和噪声频率预设最高频率f₀；S3、基于等效电路模型和最高频率f₀得到屏蔽f₀以上频率的电感量L；S4、在待选用的磁环中基于磁导率初步选用第一磁环；S5、基于第一磁环参数和电感量L计算磁环所需缠绕的导线匝数N，以及,基于小功率通讯设备通讯导线参数和第一磁环参数计算磁环单层可绕导线圈数n；S6、基于导线匝数N和单层可绕导线圈数n，在待选用的磁环中选用尺寸和磁导率合适的磁环，并重复步骤S4-S6，直至N/n小于等于1。

进一步的，步骤S2具体包括：基于小功率通讯频率的工作频率范围的最高工作频率n和噪声频率m的确定最高频率f₀，其中最高频率f₀小于噪声频率，且大于最高工作频率。

进一步的，步骤S3具体包括：S31、基于等效电路模型测量特征电阻R；S32、基于特征电阻R计算屏蔽f₀以上频率的信号所需电感量

进一步的，步骤S5中,基于第一磁环参数和电感量L计算磁环需缠绕的导线匝数N，具体包括：S51、基于第一磁环的铁芯外径D、铁芯内径d和铁芯高度h，得到铁芯有效截面积

和铁芯有效磁路长度

S52、基于第一磁环的相对磁导率μ_r得到绝对磁导率μ＝μ₀*μ_r，其中μ₀为真空磁导率；S53、基于绝对磁导率μ、铁芯有效截面积A_fe和铁芯有效磁路长度l_fe计算电感系数

S54、基于电感量L和电感系数AL得到磁环所需缠绕的导线匝数

进一步的，步骤S5中,基于小功率通讯设备通讯导线参数和第一磁环参数计算磁环单层可绕导线圈数n具体包括：S51′，测量小功率通讯设备中通讯导线直径a；S52′,第一磁环可单层绕制的最大导线圈数n＝π*d/a。

进一步的，磁环电感在小功率通讯设备中特性具体为磁环电感在小功率通讯设备中的感抗特性大于阻抗特性，从而忽略磁环电感的阻抗特性。

进一步的，步骤S6具体包括：S61,若N<1，则在待选用的磁环中选用尺寸比第一磁环尺寸小的磁环，或者选择磁导率更低的磁环；S62,若N/n大于1，则在待选用的磁环中选用尺寸比第一磁环尺寸更大的，若无法选用更大尺寸的磁环，则选择磁导率更高的磁环；S63、重复步骤S4-S6，直至N/n小于等于1，停止计算。

如果计算得到N<1，即不需要绕制导线，那么可以推断磁导率选的过高，需重新选择磁导率低一些的磁环。若N/n大于1，则说明无法在磁环上实现单层绕制，需要进行多层绕制，采用多层绕制的方式，导线间会一定程度上形成寄生电容，严重时使磁环电感被短路。如果N/n小于等于1，则说明在磁环上可以实现单层绕制。

本发明的有益效果是：

1、简单高效的选用合适的磁环屏蔽小功率通讯设备中的电磁干扰，且保证设备工作正常。

2、在小功率通讯设备中通讯电路能量极小，不足以使磁通密度达到饱和，无需考虑饱和磁通密度来选择磁环。

3、限制了绕制匝数，从而限制了磁环中可能出现的最大磁通密度。

4、避免了因磁环选择不当导致的电路抗干扰能力过弱，并且避免了使用超量磁环导致的电路成本过高。

附图说明

图1为通讯设备中磁环的应用场景示意图；

图2为本发明实施例中一种小功率通讯设备的磁环选择方法流程图；

图3为本发明实施例中磁环等效电路图；

图4为本发明实施例中不同磁导率材料的待选用磁环列表；

图5为本发明实施例中不同尺寸的待选用磁环列表。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1展示了通讯设备中磁环的典型应用场景。输出采集设备和PLC通过RS485通讯方式进行通讯。两根用于通讯的导线分别在磁环上绕了一圈。导线两端分别与通讯设备的通讯端口连接。从而实现对噪声的屏蔽，并且保证正常差分通讯信号的传输。

实施例1

本实施例的小功率通讯设备的通讯波特率为9600bps，即信号频率为9.6kHz。实验模拟的噪声频率为500V，100kHz。

下面结合图2-图5，以及具体实施例对本发明做进一步详细说明，如图2所示，为本发明实施例的方法流程图。本实施例所述的一种小功率通讯设备的磁环选择方法具体包括如下：

S1，基于小功率通讯设备的运行频率及磁环在小功率通讯设备中的特性建立等效电路模型。

如图3所示，为图1所示的应用场景中单根通讯导线与电感组成的等效电路，其中，L是磁环与导线组成的磁环电感，R是导线本身的电阻，Ue是数据发送端的输入电压，Ua是数据接收端的输出电压。

根据电感的特性，电感两端电压U_L与电流的变化成正比，电阻两端电压U_R与电流成正比，公式分别如公式(1)和公式(2)所示。

U_R＝R*i (2)

根据基尔霍夫定律，得出公式(3)和公式(4)。

U_e＝U_L+U_R (3)

将公式(2)和公式(4)进行拉普拉斯变换，把时域问题转化为频域问题，得到公式(5)和公式(6)。

U_R(s)＝R*I(s)＝U_a(s) (5)

U_e(s)＝L*s*I(s)+R*I(s) (6)

因为负载电阻两端电压即为输出电压，将公式(5)和公式(6)消去I(s)合并得到公式(7)。

由于拉普拉斯变量s等效于纯虚数j与频率ω的乘积，所以由公式(7)可以推导出以频率为变量的输出增幅公式(8)。

分析公式(8)可知，频率

为系统输出增幅幅值的转折点，当频率远小于ω₀时，输出幅值基本等于输入幅值，当频率远大于ω₀时，系统输出增幅幅值以频率每增高10倍，幅值下降20dB的速率下降，即频率越低，输出幅值越不受电感影响，频率越高，输出幅值越被抑制，所以ω₀又称截止频率。根据此等效电路，选择磁环时，可以在系统电阻确定的情况下，通过调整电感量来决定要过滤哪个范围的高频信号。

S2，基于小功率通讯设备的工作频率范围和噪声频率预设最高频率f₀；

在本发明的实施例中，预设最高频率f₀为15kHz，大于最高频率9.6kHz小于噪声频率100kHz。即要屏蔽15kHz以上的电磁干扰，且不影响小功率通讯设备的正常通讯。一般预设最高频率靠近工作频率取值，这样可以保护工作频率，也可尽可能屏蔽更多噪声。另外，截止频率选得越高，对磁环电感的电感量要求越少，反之越多，磁环尺寸越大，能形成的电感量越大。

S3,基于等效电路模型和最高频率f₀得到屏蔽f₀以上频率的电感量L。在本发明的一个实施例中，具体包括，S31、基于等效电路模型测量特征电阻R，测得的等效电路R为1Ohm。S32、基于电阻R计算屏蔽f₀以上频率的信号所需电感量

并计算得到15kHz截止频率所需要的电感量为L＝1.06e-5H。

其中，在本发明的一个实施例中，小功率通讯设备的通讯信号由单片机发送和接收，单片机引脚对应的单片机内部的电路是三极管组成的运算放大电路，该电路直接处理单片机外部输送进来的电压，因此在等效电路中，不考虑单片机内部电阻，只需要考虑单片机和小功率通讯设备之间的导线的电阻。

S4、在待选用的磁环中基于磁导率初步选用第一磁环。

在图4中的待选用磁环中，在100MHz的频率范围内，材料F13的相对磁导率保持不变，因此，首先选用材料F13的磁环。确定相对磁导率μ_r为10。然后在图5所示的材料F13的待选用磁环列表中，选择14号RH型号的磁环，其尺寸为外径D＝4mm，内径d＝2mm，高度h＝6mm。

S5，基于第一磁环参数和电感量L计算磁环需缠绕的导线匝数N为41匝，以及基于小功率通讯设备通讯导线参数和第一磁环参数计算磁环单层可绕导线圈数n为6匝。

S6，N/n＝41/6大于1，因此在用的磁环中选择尺寸更大的磁环，在本发明的一个实施例中，重新选择图5中的18号磁环。基于18号磁环的参数计算得到N为29匝，n为6匝，还需选择更大尺寸的磁环，选择到30号磁环时，计算得到N为30匝，n为9匝，N/n仍大于1，因此选择磁导率更高的磁环，选择材料F3的30号磁环，N为21匝，n为9匝，继续选择磁导率更高的磁环，材料F4，N为13匝，磁环单层可绕制最大导线匝数n为9匝，重复步骤S4-S4，直至选择30号RH型号磁环，材料F7，算得所需匝数N为6匝，算得磁环单层可绕制最大导线匝数n为9匝。结束计算。

按照计算得到的匝数N在进行单层绕制时，需注意尽量增加每匝之间的距离，减小匝间电容。如果采用多层绕制的方式，导线间会一定程度上形成寄生电容，严重时使磁环电感被短路。

需要说明的是，采用本方法选择磁环无需考虑饱和磁通密度，有如下两个原因，第一，为小功率通讯电路，电路中能量极小，不足以使磁通密度达到饱和；第二，限制绕制匝数在一定范围内，即限制了磁环中可能出现的最大磁通密度。

以上仅此外，描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，包括：

S1、基于小功率通讯设备的运行频率及磁环在小功率通讯设备中的特性建立等效电路模型；

S2、基于小功率通讯设备的工作频率范围和噪声频率预设最高频率f₀；

S3、基于等效电路模型和最高频率f₀得到屏蔽f₀以上频率的电感量L；

S4、在待选用的磁环中基于磁导率初步选用第一磁环；

S5、基于第一磁环参数和电感量L计算磁环所需缠绕的导线匝数N，以及,基于小功率通讯设备通讯导线参数和第一磁环参数计算磁环单层可绕导线圈数n；

S6、基于导线匝数N和单层可绕导线圈数n，在待选用的磁环中选用尺寸和磁导率合适的磁环，并重复步骤S4-S6，直至N/n小于等于1。

2.根据权利要求1所述的一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，步骤S2具体包括：基于小功率通讯频率的工作频率范围的最高工作频率n和噪声频率m的确定最高频率f₀，其中最高频率f₀小于噪声频率，且大于最高工作频率。

3.根据权利要求1所述的一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S31、基于等效电路模型测量特征电阻R；

S32、基于特征电阻R计算屏蔽f₀以上频率的信号所需电感量

4.根据权利要求3所述的一种适合小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，步骤S5中,基于第一磁环参数和电感量L计算磁环需缠绕的导线匝数N，具体包括：

S51、基于第一磁环的铁芯外径D、铁芯内径d和铁芯高度h，得到铁芯有效截面积

和铁芯有效磁路长度

S52、基于第一磁环的相对磁导率μ_r得到绝对磁导率μ＝μ₀*μ_r，其中μ₀为真空磁导率；

S53、基于绝对磁导率μ、铁芯有效截面积A_fe和铁芯有效磁路长度l_fe计算电感系数

S54、基于电感量L和电感系数AL得到磁环所需缠绕的导线匝数

5.根据权利要求4所述的一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，步骤S5中,基于小功率通讯设备通讯导线参数和第一磁环参数计算磁环单层可绕导线圈数n具体包括：

S51′，测量小功率通讯设备中通讯导线直径a；

S52′,第一磁环可单层绕制的最大导线圈数n＝π*d/a。

6.根据权利要求1所述的一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，磁环电感在小功率通讯设备中特性具体为磁环电感在小功率通讯设备中的感抗特性大于阻抗特性，从而忽略磁环电感的阻抗特性。

7.根据权利要求1所述的一种适用于小功率通讯设备的磁环选择方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S61,若N<1，则在待选用的磁环中选用尺寸比第一磁环尺寸小的磁环，或者选择磁导率更低的磁环；

S62,若N/n大于1，则在待选用的磁环中选用尺寸比第一磁环尺寸更大的，若无法选用更大尺寸的磁环，则选择磁导率更高的磁环；

S63、重复步骤S4-S6，直至N/n小于等于1，停止计算。

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