房巖，周潔敏，周曼曼，張帆

（南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

現(xiàn)代電力電子裝置隨著工作頻率的提高，渦流引起的交流損耗十分明顯。磁性元件的損耗包括磁芯損耗和繞組損耗。前者與工作頻率、磁芯材料與結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)，根本性的改善需對新型磁性材料進行開發(fā)研究;后者可以通過改善繞制技術(shù)以及對磁芯結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計來達到損耗減小的目的。

作為能量存儲元件，要求電感磁芯瞬間可以存儲能量，一般需要在磁芯中添加氣隙，能量主要存儲在氣隙中。在高磁導(dǎo)率材料磁芯中添加一個非磁氣隙，可以改變磁性元件的磁化曲線，調(diào)整有效磁導(dǎo)率，還可以防止飽和［1，2］。文獻［3］75提出利用交錯氣隙來減少旁路磁通，從而降低繞組損耗。文獻［4］提出利用分布氣隙來代替集中氣隙。電感繞組的損耗受氣隙設(shè)計好壞的影響［3，5］72。

本文采用Ansoft Maxwell［6］軟件構(gòu)建電感模型，首先對引起電感繞組損耗的機理進行了詳盡的分析，其次研究不同的氣隙添加方式引起的電感損耗的變化，并深入分析了電感的分布氣隙布置對電感繞組的影響。仿真結(jié)果對電感氣隙的合理設(shè)計提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，具有一定的指導(dǎo)作用。

1 電感磁通分析

高頻電感只有一個繞組，磁芯窗口中磁場較強，磁動勢主要降落在氣隙上。如圖1所示，高頻電感的磁通可以分為以下三個部分［3］73:

（1）主磁通。主磁通在磁芯中構(gòu)成流通回路，存儲大部分能量，不進入磁芯窗口，因此與繞組渦流損耗無關(guān)。

（2）擴散磁通。氣隙邊緣的擴散磁通是由于氣隙上下端面的磁壓降造成的，這部分磁通進入磁芯窗口，因此會對氣隙附近的繞組產(chǎn)生渦流損耗［7］。

（3）旁路磁通。旁路磁通橫穿磁芯窗口，磁力線切割繞組產(chǎn)生渦流損耗。

選擇相同尺寸的EE型和EI型磁芯為分析對象進行有限元驗證，兩者磁芯的漏磁通不同，氣隙的擴散磁通和旁路磁通都有變化，導(dǎo)致電感繞組的損耗不同。電感磁芯選用飛利浦鐵氧體磁芯，分別建立兩組方案模型。方案1采用銅箔繞制，繞組上施加幅值為15 A的交流電;方案2采用漆包線繞制，繞組上施加幅值為1 A的交流電。氣隙0.4 mm。用Ansoft Maxwell 2D軟件得到0°時兩個方案的磁力線分布及繞組損耗分別如圖2、3所示。

圖1 高頻電感中磁通分布圖

圖2 0°時的磁力線分布

圖3 兩組方案的渦流損耗值

如圖2所示，方案1中銅箔對磁場有屏蔽作用，磁力線環(huán)路基本完整地經(jīng)過氣隙所在的磁柱，因此氣隙位置的變化對旁路磁通產(chǎn)生的影響不大。方案2中旁路磁通并不能完全經(jīng)過氣隙磁柱，改變氣隙的位置對旁路磁通產(chǎn)生較大影響，旁路磁通橫穿磁芯窗口從而影響繞組損耗。此外，EI型磁芯由于氣隙位置在磁芯的拐角處，相對于EE型磁芯氣隙放置在磁芯中部，氣隙邊緣的擴散磁通更容易進入到磁芯窗口內(nèi)。由圖3可知，兩組方案的損耗差值很大，因為氣隙位置的變化對交流電阻的影響很明顯，在一定的繞組磁勢下，EI磁芯窗口的最大磁勢大于EE磁芯，體現(xiàn)在參數(shù)變化上就是EI的繞組損耗較大。

當(dāng)氣隙長度一定時，在三個磁柱都開氣隙的好處是每個氣隙比較小，氣隙引起的邊緣磁通影響比較小，有助于降低繞組渦流損耗。在邊柱開氣隙，如圖2所示，磁場會擴散到周圍的空間，存儲在外磁場的雜散能量很大，將噪聲和EMI耦合到外電路和外部空間，會造成近場輻射和近場耦合，同時使電感值遠大于期望的電感值。而在中柱開氣隙，由于氣隙磁場被繞組包住，整個繞組磁勢直接降落在氣隙長度上，加在線圈長度以外的磁路磁壓降近似為零，磁位差很小，散磁通也就很小，所以沒有近場磁場擴散的問題且對外電路干擾大大減少。因此，在實際應(yīng)用中結(jié)合理論分析，一般選擇在僅在中柱開氣隙。

2 氣隙設(shè)計對繞組損耗的影響

只在中柱添加氣隙時，若繞組與氣隙的避讓區(qū)域大于3個氣隙距［8］，當(dāng)氣隙較小時，能有效減少繞組損耗;當(dāng)氣隙較大時，會大大降低磁芯窗口的利用率。此時需要在保持氣隙總長度不變的情況下，利用多個小氣隙來取代集中氣隙，從而減小渦流損耗。

對于分布氣隙來說，重點的研究問題是:（1）將1個集中氣隙拆分為幾個小氣隙。（2）分布氣隙的位置。（3）不均勻分布氣隙。

圖4 兩個方案模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)前面的分析，對于銅箔繞組的電感，氣隙位置的變化對旁路磁通產(chǎn)生的影響不大。本節(jié)重點考察不同的分布氣隙情況下，氣隙邊緣的擴散磁通對繞組損耗的影響，因此需要避免旁路磁通對繞組損耗的影響，分別建立2種方案模型，如圖4所示。方案1在中心磁柱開兩個氣隙，建立三個模型分別是氣隙長度 0.1 mm/0.5 mm、0.2 mm/0.4 mm、0.3 mm/0.3 mm;方案 2在中心磁柱開三個氣隙，建立三個模型分別是氣隙長度0.1mm/0.25 mm/0.25 mm、0.2 mm/0.2 mm/0.2 mm、0.4 mm/0.1 mm/0.5 m。繞組上施加幅值為15 A的交流電。工作頻率200 kHz。方案1三個模型的氣隙間隙磁柱長度與損耗的關(guān)系如圖5所示。方案2三個模型的氣隙間隙磁柱長度與損耗的關(guān)系如圖6所示。

從圖中可以看出，隨著氣隙間隙磁柱長度的增加，繞組損耗大大減小，但間隙長度增加到一定數(shù)值時，間隙長度對繞組損耗的影響作用漸漸減小。以均勻分布氣隙為例，間隙長度大于6個氣隙長度后，繞組損耗下降緩慢，受氣隙位置變化的影響較小。在確定分布氣隙個數(shù)后，均勻分布氣隙情況下的繞組損耗比不均勻分布氣隙要小，且不均勻分布氣隙情況下，單獨的氣隙長度差距越大，損耗值也越大。圖6中損耗曲線在磁柱長度大于4 mm之后又迅速下降，又是由于采用銅帶繞組時，需要考慮銅帶的邊緣效應(yīng)，當(dāng)氣隙位于銅帶邊緣會帶來更大的繞組損耗。

圖5 方案1分布氣隙間隙寬度與繞組損耗的關(guān)系

圖6 方案2分布氣隙間隙寬度與繞組損耗的關(guān)系

圖7 分布氣隙磁芯結(jié)構(gòu)

比較圖5和圖6，三個分布氣隙比兩個分布氣隙更能有效減小繞組損耗。因此在磁性元件設(shè)計中，有時達到需要的電感值時集中氣隙的長度較長，為了減小氣隙對繞組損耗的影響，需要采用多個分布氣隙來取代集中氣隙。但是隨著分布氣隙個數(shù)的增加，工藝上要求氣隙分布均勻，這提高了工藝復(fù)雜度，也提高了成本。圖7給出了8個分布氣隙的磁芯結(jié)構(gòu)。氣隙總長度為0.6 mm，繞組上施加幅值為15 A的交流電。工作頻率200 kHz。圖8給出了均勻分布氣隙個數(shù)與繞組損耗的關(guān)系。

圖8 均勻分布氣隙個數(shù)與繞組損耗的關(guān)系

在本模型方案中，繞組距離磁芯中柱的距離為0.6 mm，當(dāng)只有1個氣隙時，繞組距中心柱1個氣隙距;當(dāng)有2個均勻氣隙時，繞組距中心柱2個氣隙距;當(dāng)有3個均勻氣隙時，繞組距中心柱3個氣隙距;當(dāng)有5個均勻氣隙時，繞組距中心柱5個氣隙距;其他情況依此類推。從圖9可以看出，當(dāng)分布氣隙個數(shù)增加到3個時，繞組損耗下降延緩，這與繞組與氣隙的避讓距離應(yīng)當(dāng)有3個氣隙長度的結(jié)論是一致的。當(dāng)個數(shù)增加到5個以后，繞組損耗的減小就更不明顯了，這是因為隨著氣隙個數(shù)的增加，繞組與中心柱的距離是氣隙的若干倍，氣隙附近的邊緣磁通對繞組損耗的影響降低，且為了達到均勻分布氣隙的效果，工藝的復(fù)雜度也相對增加，此時再增加氣隙個數(shù)就非常沒有必要了。

3 結(jié)束語

本文利用Ansoft有限元分析軟件對高頻電感器中氣隙位置變化等情況構(gòu)建了多種模型，并對氣隙引起的繞組損耗進行了詳盡的分析。研究結(jié)果表明:

（1）相對于傳統(tǒng)的EE磁芯氣隙添加在磁芯中部，氣隙位置越靠近磁柱的拐角，氣隙邊緣的擴散磁通越容易進入磁芯窗口，從而增加繞組損耗。一般僅選擇在磁芯中柱開氣隙，對外電路干擾大大減少。

（2）對于銅箔繞組電感和漆包線繞組構(gòu)成的電感，前者氣隙位置的變化對旁路磁通的影響幾乎可以忽略，后者受氣隙位置變化造成繞組損耗的影響較大。

（3）當(dāng)氣隙長度一定時，對于相同的繞組，不均勻分布氣隙的損耗大于均勻分布氣隙。

（4）當(dāng)繞組距氣隙的距離達到3個氣隙距時，繞組損耗急劇下降，大于5個氣隙距后繞組損耗變化不大。因此對于不同結(jié)構(gòu)的繞組，選擇分布氣隙個數(shù)時可以將個數(shù)增加到使繞組距氣隙的距離控制在3～5個氣隙距之間，同時氣隙間磁柱的長度大于6個氣隙距，以得到較小的繞組損耗。

［1］趙修科.開關(guān)電源中磁性元器件［M］.遼寧.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.8.

［2］周潔敏.開關(guān)電源理論及設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.3.

［3］陳為，毛行奎，羅恒廉等.高頻電感器線圈損耗分析與交錯氣隙布置［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2003.12.18（6）72 －75.

［4］ Kutkutt N H，Novotny D W，Divan D M.Analysis of winding losses in high frequency foll wound inductors，IAS’95，859 －867.

［5］曠建軍，阮新波，任小永.氣隙設(shè)計對電感繞組損耗的影響［J］.電子元件與材料.2007.10.26（10）:60 －63.

［6］趙博，張洪量.Ansoft 12在工程電磁場中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社.2010:47－67.

［7］ Roshen W A.Winding loss from an air－ gap.IEEE PESC 04.2004.vol.3:1724－1730.

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