《变压器气隙.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变压器气隙.docx（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、.变压器气隙电感是开关电源中重要的元件之一， 其合理设计有利于提高电源效率和可靠性。为防止电感饱和，需要在磁芯中加入气隙。 铁粉芯的气隙均匀分布在磁芯中。如果采 用高导磁材料来绕制电感，传统的做法是采用集中气隙。为了减少由气隙附近的扩散磁通引起的绕组损耗，绕组布置需避开气隙 3 个左右的气隙长度。然而对于较大 的气隙，那样做将使磁芯窗口的利用率大大降低，此时可应用多个小气隙来构成分布气隙。文献 1 提出利用交错气隙以减少旁路磁通，从而减少绕组损耗。前人的研究成果对电感设计具有指导意义， 但对某些方面没有进行详细研究， 特别是多气隙中各小气隙之间磁柱的长度对扩散磁通的影响， 气隙布置在磁芯拐角附
2、近 对扩散磁通的影响，以及分布气隙的个数如何选择等。近年来，电磁场有限元分析软件得到广泛的应用，分析结果的正确性得到了大量的证实 2 。本文在前人研 究的基础上，利用电磁场有限元软件对上述问题进行详细的研究。2 气隙在磁芯柱上不同位置对绕组损耗的影响根据文献 1 的分析，在电感中的磁通可分成以下三个部分（如图1 所示）：(1) 在磁芯中构成回路的主磁通； (2) 气隙附近进入磁芯窗口的扩散磁通； (3) 穿越磁柱之间窗口内的旁路磁通。由于主磁通未深入磁芯窗口内， 故它不会在绕组上感应出涡流。 扩散磁通则会在气隙附近的绕组上感应出涡流。 旁路磁通穿越磁柱间的磁芯窗口， 将在绕组上感应出 涡流。气
3、隙在磁芯柱上的不同位置对磁芯窗口内的扩散磁通和旁路磁通都可能产生影响。 对绕组由漆包线构成的电感， 气隙在磁芯柱上不同位置对磁芯窗口内旁路磁 通的影响在文献 1 中已有详细分析。本节主要分析对扩散磁通的影.响，并分析气隙在磁芯柱上的位置对铜箔与漆包线绕制的电感所产生的不同影响。对于高频电感， 相对气隙设在磁芯中部， 如气隙设在磁芯拐角处， 会使此处的扩散磁通更容易深入到磁芯窗口内 （如图 2(a) 、(b) 所示），这是因为磁通的分 布，与所通过路径的磁阻分布有关。 相对气隙设在磁芯中部， 气隙设在拐角处， 扩散磁通经过路径的磁阻要比气隙设在磁芯窗口中部要小。 这样就会容易导致绕组损耗的增加。
4、另外如气隙靠近磁芯的上端面， 在窗口内，有一部分磁通会绕过磁柱上的短端，直接在磁芯上端面和磁柱的长端之间形成一个磁通路 ( 如图 2(c) 所示 ) ，从而使窗口内的扩散磁通增加。在图 3 所示的电感结构中， 如此时绕组靠近气隙， 将导致绕组损耗刚开始时， 随气隙在磁芯柱上的位置 b 的增加而增加。 当 b 增加到对应使扩散磁通最多时， 绕组损 耗增加到最大值。此后随 b 的增加，由扩散磁通引起的绕组损耗将随 b 的增加而减少。 最后当 b 增加到较大时， 由于气隙距磁芯上端面较远， 磁芯上端面对气隙附近 的扩散磁通已不能产生影响。这时随 b 的增加，由扩散磁通引起的绕组损耗基本不变。 为了使
5、绕组损耗刚开始时不随 b 的增加而增大， 可加大绕组与气隙间的距离， 以减少气隙附近扩散磁通对绕组损耗的影响。.在图 3 所示的 2 种电感结构中，用铜箔绕制的绕组损耗随气隙位置 b 的变化趋势与漆包线绕组是不同的。 这是因为两者之间在窗口内的磁通分布不同引起的。 用漆包 线绕制的电感，旁路磁通的分布如图 1(a) 所示 1 。而用铜箔绕制的电感，由于铜层对磁场的屏蔽作用，旁路磁通的分布如图 1(b) 所示。磁通在窗口内的方向是在磁芯上下端面之间。 在这种情况下， 改变气隙在磁芯柱上的位置， 将对旁路磁通不会产生什么影响。 所以当距离 b 较大时，随着 b 的进一步增加铜层绕组损 耗将基本不变
6、。而当距离 b 较小时， b 的改变对绕组的损耗是有影响的，根据前面的分析， 此时是气隙位置对扩散磁通的影响而造成的。 而用漆包线绕制的绕组，改 变气隙在磁柱上的位置而能影响旁路磁通，从而影响绕组损耗，详细情况可参考文献 1 。.对本节前面的气隙位置对电感绕组损耗的分析进行了有限元验证。电感结构如图3 所示，两种电感结构都选用南京新康达公司的EE16A磁芯。图 3(a) 为 0.1mm铜箔绕制的电感，根据参数D 的不同有三种方案，具体参数见图3(a) 和表 1。当电感绕组中通过幅值为1A，频率为 300kHz的正弦电流时，用AnsoftMaxwell2D电磁场有限元软件得到三种方案单位长度的绕
7、组损耗随气隙在磁芯柱上位置的变化趋势如图 4(a) 所示。根据前面的分析，气隙位置 b 刚开始增加时， 窗口内扩散磁通增加。 此时方案 1 绕组距气隙较近， 导致绕组损耗 随距离 b 的增加而增加。当 b 大于约 3 个气隙距时，随 b 的增加，磁芯窗口内的扩散磁通开始减少，此时绕组损耗随b 的增加而减少。当b 大约 10 个气隙距时，随 b 的增加，磁芯窗口内的扩散磁通变化很小，此时绕组损耗随b 的增加而基本不变。 为了在 b 刚开始增加时， 使绕组损耗不增加， 可以使绕组避开气隙远点的距离。 方案 2 和方案 3 中绕组分别距气隙 3.25 和 4.25 个气隙距，从图 4(a) 可以看出
8、绕组损耗在 b 刚开始增加时，绕组损耗不增加。图 3(b) 为漆包线绕组制成的电感，根据参数 D的不同有三种方案，具体参数见图 3(b) 和表 2。当电感绕组中通过幅值为 0.1A，频率为 300kHz 的正 弦电流时，用 Ansoft Maxwell 2D 电磁场有限元软件得到三种方案单位长度的绕组损耗随气隙在磁芯柱上位置的变化趋势如图 4(b) 所示。对比 图 4(a) 和 4(b) ，在图 4(a) 中当 b 大约为 10 个气隙距时，绕组损耗随 b 的增加而基本不变。而在 4(b) 中，绕组损耗是随 b 的增加而减少明显的。这 和前面的分析是一致的。是由于气隙位置对两者之间的旁路磁通的
9、影响不同而产生的结果。 而扩散磁通对两者的损耗影响是一致的。.3 分布气隙参数对绕组损耗的影响为了减少损耗，通常要求绕组避开气隙一定的空间，一般为三个气隙长度左右。这样在气隙较大时就会导致避让区域过大， 使磁芯窗口面积利用率大大降低。 因此为 了减少损耗和提高磁芯窗口面积的利用率， 用分布的小气隙来代替大气隙。如果小气隙之间的磁柱长度太短， 部分扩散磁通就会旁过短磁柱， 进入磁芯窗口内（如图 5 所示），使分布小气隙的效果减弱。 因此小气隙间的磁柱应该多长，来尽量减少小气隙之间的影响，就是一个值得分析的问题。根据文献1 和前面的分析，对于漆包线绕组由于气隙在磁柱上的位置会影响磁芯窗口内的旁路磁
10、通，最终影响绕组损耗。而根据上节的分析，对于用铜箔绕制的电感，气隙位置不会影响到磁芯窗口内的旁路磁通。现在是为了研究气隙间的扩散磁通对绕组损耗的影响，所以在研究过程中应该避免旁路磁通的改变而影响绕组损耗。故在此处选用铜箔绕制的电感来进行研究。 磁芯和绕组参数同图3(a) 和表 1 中的方案 1，大气隙为 0.6mm，拆分为 2 个 0.3mm的小气隙（如图 5 所示）。当电感绕组中通过幅值为 1A，频率为 300kHz 的正弦电流时， 用电磁场有限元软件得到单位长度的绕组损耗随小气隙间磁柱长度 d 的变化趋势如图 6 所示。由图可知绕组损耗的变化趋 势和前面的分析一致。当 d 较小时对绕组损耗
11、的影响较大，此时增加 d 能大大减少绕组损耗。 随着 d 的增大，增加 d 对减少绕组损耗的作用逐渐.减弱，当 d 大约为 5 个小气隙长度左右时，气隙间距的变化对绕组损耗影响较小。有时为了尽量减少绕组损耗， 希望使用多个分布小气隙来代替集中的一个大气隙。使用的小气隙越多，工艺就越复杂，成本就越高。同时增加太多的小气隙，对减少 绕组的损耗不一定明显。因此小气隙个数增加到多少适合也是一个值得分析的问题。磁芯和绕组参数同图 3(a) 和表 1 中的三种方案。气隙布置在 3 个磁芯柱上， 每个磁芯柱上的气隙总长为 0.6mm，拆分成的小气隙在磁柱上均匀分布。图 7 为每个磁柱上 6 个分布小气隙的示
12、意图。当电感绕组中通过幅值为 1A，频率为 300kHz 的正弦电流时， 用电磁场有限元软件得到单位长度的绕组损耗随小气隙个数的变化趋势如图 8 所示。对图 8 所示的结果进行分析， 刚开始增加气隙的个 数，能大大减少绕组的损耗。但气隙的个数增加到 6 到 7 个气隙以后，再增加气隙的个数对绕组损耗影响不大。在方案 1 中当磁柱上为一个集中气隙时，气隙长度为 0.6mm，绕组距磁芯边柱的距离为 0.45mm，即绕组距边柱为 0.75 个气隙长度。当磁柱上为两个小气隙时， 气隙长度为 0.3mm，绕组距边柱为 2 个 小气隙的距离，从图 8 可见此时增加气隙能大大减少绕组的损耗。当磁柱上为 4
13、个气隙时，小气隙长度为 0.15mm，绕组距边柱为 3 个小气隙长度，以后再增加 气隙的个数，绕组损耗的减少就不多了， 当气隙增加到 6 个时，小气隙长度为 0.1mm，.绕组距边柱为 4.5 个小气隙长度，以后再增加气隙的个数，绕组损耗的 减少就不明显了。这和绕组应避开气隙 3 个气隙长度的距离是一致的。 因为再增加绕组避开气隙的距离，气隙附近的扩散磁通对绕组的损耗影响就较小了。在方案 2 和方案 3 的情况和方案 1 一致。故小气隙的个数应增加到使绕组距气隙的距离大于3 个小气隙。 但没有必要增加气隙的个数使绕组距气隙的距离大于5 个小气隙的距 离，因为此时再增加气隙个数对绕组损耗影响很小。.