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为多相系统设计的磁珠电感器

2007-11-07 17:12:55 来源:国际电子变压器 点击:1207

1  引言
在常规电感器设计的大多数情况下,计算电感器总的功率损耗受着磁心损耗(铁损)和绕组损耗(铜损)(I2Rdc)的限制。如今,采用带气隙铁氧体磁心设计SMT电感器时,边缘磁场效应在电感器绕组中会感生循环电流,它们将影响到绕组中电流的重新分布。如果不进行边缘磁场分析,在计算绕组损耗中可能产生重大误差。
观察图1中电感器携带电流时的情况。任何携带电流的电感器都将产生两个磁场:一个是电感器内部的磁场,另一个是电感器外部的磁场。图1示出了相对于电感器中心的不同距离上(A、B、C)的外部磁场分布。
在图1所示的磁通线之中,因为磁通线封闭了电感器并由于电感器增加而使其距离减小,使得点A的磁通量最大。
如图2所示,让我们放置一个非磁性体的不携带电流的电感器至杂散磁声中,而磁通线与电感器成90°交叉,再观察其磁通线分布。
2  将损耗减到最小
从单独地检验无电流电感器中,我们可以看到在点A、B、C处由杂散磁场Ba、Bb、Bc感生的具有方向性的涡流建立情况(请见图3)。涡流的方向与产生它的磁场方向相反。
图4示出了图中左侧存在大电流密度分布时,流经不带电流的电感器中电流的分布情况。这会引起与直流电阻相关的损耗增大。电感器中的净电流是流经绕组的主电流和由边缘磁场感生的涡流之总和。
我们可以看到,杂散磁场不仅在不带电流的电感器中产生循环电流,而且也在电感器中产生不均匀的分布电流。
现在我们明白了外部磁场对产生涡流的作用。让我们验证图5,具有30A以上电流承载能力和尺寸范围在0.25吋×0.25吋时的新型磁珠电感器是很小的,没有大的散热表面积。将计算的涡流转换成铜损将可以更好地估算出总损耗,并且,这可以让设计师更好地估算预测电感器的温升。
为使边缘磁场的影响减到最小,可以增加距离r1。然后,保持增加的r1,将可减小为大电流应用所需要的铜导线宽度。另外,改变电感器与磁场的角度,将改变常规磁场切线方向的磁场强度和减小净磁通的影响。
φ=B·L·dr
经过从r1到r2的积分,我们可以得到总的磁通量。
在此,磁通密度与全部表面是正交的。
式中,B=μ0·I/(2πr)
注:du/u的积分=ln[u]+常数

式中:μ0—磁导率,Io—电流(A),r—距离(cm)cos(θ)是角度。
以上公式表示了计算铜损时,减小边缘磁场影响的两种途径。
① 增大r1或从铜导体的边缘到边缘磁场面积的距离。
② 为了减小总磁通量而增大角度(见图8)。这种效果也可以由降低铜量、从远离边缘磁场和以切线磁场的低影响替代原始磁场的高影响得到。
3  结论
气隙的边缘磁场可以影响涡流损耗的有效数量,因此需要增加主要的铜损计算。这种增加的损耗能够导致零部件中温度的升高,并将改变电感器的电流饱和分布图。如图9中所示,经适当地组合间隔距离(r1和x),这可使铜导体的宽度增至最大,以减小铜导体的直流损耗和使边缘磁场减至最小。

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