UUI新型电感器的省铜原理
2010-12-08 09:22:25
来源：《磁性元件与电源》2010年12月刊
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1 引言
电感器是节能灯、电子镇流器和开关电源等电子电器中的关键部件之一。传统的电感器一般由EE型磁心、骨架、线圈和胶带等组成；线圈缠绕在骨架的线圈缠绕轴上，将两个E字形磁体的中柱插入骨架的中空孔中，对接起来形成日字形磁回路；在两个E字形磁体外部用胶带紧密缠绕固定，然后进行防潮绝缘处理。为防止磁饱和现象的发生，通常在E字形磁体的中柱上用磨床研磨的方法设置一个磁路气隙，磁路气隙的设置使得磁回路的磁阻变大，磁阻变大后可有效防止磁饱和现象的发生，但同时也使得磁路气隙附近的扩散磁通增大，从而增加了电感器的绕线圈数。
而由UUI磁心制成的电感器，由于磁路双气隙及磁路气隙外移的结构特点，使得UUI新型电感器与性能相当的EE型电感器相比，具有省铜、高Q值、低损耗、低成本以及小型化等优点。其中，省铜是其核心竞争力的主要标志之一。
2 对比实验
下面我们做对比实验。实验一，用线径为0.14mm的漆包线分别在特制的小骨架上缠绕出6层每层8匝的线包，在每层线圈之间用绝缘胶带缠绕制作出绝缘层，绝缘层厚度为 1 mm，线包高度为1.6mm，小骨架的高度为3.3mm。用上述方法可制作出含有6个线圈的线包，每个线圈分别制作引出线，其中最内层线圈与磁心中柱边缘的间隙量为0.97mm，其他线圈与其相邻线圈的间距均为1.14mm，如图1和图2所示。在EE19磁心中柱的中间位置上设置磁路气隙，气隙量为1.2mm，该磁心是山东东泰科技发展有限公司提供的，材质为DTT-P4，其尺寸见表1。实验用TH2810B电感测试仪，在0.3V/100kHz工作条件下测量电感量。实验步骤为：将小线包置于EE型磁心中柱上，小线包的中心到EE型磁心中心横截面的距离为-4mm。在0.3V/100kHz工作条件下，用TH2810B电感测试仪分别测量线包中各个线圈的电感量；再将线包沿磁心中柱向上移动1mm，分别测量线包中各线圈的电感量；依此类推，其测量结果如表2所示。
实验二，我们把实验一中的EE19磁心换成UUI16.3磁心，该UUI磁心同样是山东东泰科技发展有限公司提供的，其材质与磁路气隙量和实验一的EE19磁心相同，其结构和尺寸如图3所示。其他实验条件与实验一相同，本实验中磁心与线包位置关系如图4和图5所示，实验步骤与实验一相同，实验结果如表3所示。
3 UUI型电感器的省铜原理
为了分析和阐述方便，我们先明确几个概念。根据文献[1]的分析和定义，在电感中的磁通可分为以下三个部分：(1)在磁心中构成回路的主磁通；(2)气隙附近进入磁心窗口的扩散磁通；(3)穿越磁柱之间窗口内的旁路磁通；如图6所示。由于主磁通未深入磁心窗口内，故它不会在绕组上感应出涡流；在气隙附近的扩散磁通进入磁心窗口，将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心窗口，也将在绕组上感应出涡流。
先来看实验一所得实验数据（见表2），我们以小线包在磁心中柱上的位置为横轴，以实测的电感量为纵轴，分别在平面内描点，然后将同一个线圈在不同位置上的电感量用曲线进行连接，得到一簇呈U字形曲线，如图7所示。
从图7中可看出，当每个线圈在磁路气隙中间位置时，电感量最低；而每个线圈离磁路气隙越远的地方，其电感量越高。当线包偏离3δ以上距离时，电感量的增量明显减小。我们还可以发现：所有内层线圈的电感量皆小于外层线圈的电感量，当线包在磁路气隙中间时，电感量的差值最大；最内层线圈的电感量曲线最为凹陷，而最外层线圈的电感量曲线最平直；第四层线圈的电感量曲线比第三层的曲线凹陷程度明显减小（第四层线圈与磁路气隙的距离大于3δ）。也就是说，在EE型电感器中处于磁路气隙附近的线圈，其电感量较低，在磁路气隙正中位置的线圈，其电感量最低。当线圈偏离磁路气隙3倍的气隙量距离时，线圈的电感量明显提高。
最内层线圈，在气隙中间位置时电感量为2.462μH，在距气隙中心4mm的位置时电感量为4.069μH，电感量提高了65.3%；而最外层线圈，在气隙中间位置时电感量为3.903μH，在距气隙中心4mm的位置时电感量为4.708μH，电感量仅提高了20.6%。由上述分析可知，在EE型电感器中，磁路气隙对其附近的线圈影响很大，由于磁路气隙的影响，使得在磁路气隙附近的线圈部分地失去“电—磁”转换作用。
根据文献[3]的分析，当磁路气隙量相对端面尺寸很小时(＜5%)，扩散磁通很小而可以被忽略；当磁路气隙量相对端面尺寸很大时，磁通不仅通过端面，而且还通过气隙的边缘、尖角和气隙附近的磁心侧表面流通；磁通在侧面流通时，一般认为发生在距气隙3倍的气隙量范围内。也就是说扩散磁通不仅存在于气隙边缘，而且还存在于气隙附近的磁心侧表面3倍的气隙量范围内。文献[2]表明，扩散磁通会在气隙附近的绕组上感应出涡流。旁路磁通在绕组上也将感应出涡流，但考虑到在本实验中，旁路磁通对绕组的影响较小，故忽略其影响，只考虑扩散磁通的影响而使分析简化。由于感应出的涡流可再感应出磁通，根据楞次定律，涡流感应出的磁通将会阻碍主磁通的变化，因此该磁通将削弱扩散磁通影响范围内的主磁通，从而使得气隙附近线圈的电感量变低，因此上述实验中发生了“线圈部分地失去‘电—磁’转换作用”的现象。要使EE型电感器获得一定的电感量，必然要增加线圈的匝数，从而造成了铜材的浪费。也是由于气隙附近的扩散磁通在线圈中感应出的涡流，使得整个EE型电感表现出了较高的电抗，增加了功耗，降低了Q值。
我们再来看实验二所得实验数据（见表3），用与实验一相同的方法进行描点和连线处理，绘制出的曲线如图8所示。
由于UUI磁心的气隙外移和磁路两气隙的结构特点，使得UUI磁心的扩散磁通对线包的影响大为降低，因此UUI的电感量曲线很平直，而不是如EE型的曲线呈U字形状态。UUI最里层线圈在中间位置上的电感量为4.586μH，而EE型的相同位置的电感量为2.462μH，相差2.124μH，相差近一倍。由此可见，EE型磁心的扩散磁通对磁路气隙附近的线圈影响较大，在线圈中产生了较大的涡流。
从UUI型磁心的结构可看出，其磁路气隙设置在线包外部以及其磁路两气隙结构特点，不仅使得磁路气隙附近的扩散磁通大为减小，而且由于扩散磁通所在位置由线包中心移到了线包外部，从而使得扩散磁通对线包的影响大为减小，线圈中由于扩散磁通造成的涡流也减小很多，涡流的减小使得线包中由于涡流感应出的磁通也将减小，由于涡流感应出的磁通其方向与主磁通相反，这样使得UUI型电感器的主磁通下降较少，从而在获得相同性能和电感量时，UUI电感器线圈的匝数较少。其效果等价于UUI用较少匝数的线圈代替了EE型磁路气隙附近较多匝数的线圈，从而使得UUI电感器线圈匝数减少，而且减少的匝数是线圈外围的匝数，线包匝数减少带来了绕线空间的富余。从上述分析可见，在性能相当的情况下，UUI型电感器与EE型电感器相比较，可大幅度地节省铜材。在UUI型电感器在绕线空间富余量足够大时，线包可采用多股线使其省铜比例扩大，或者进行省铜和小型化兼顾的设计而使其成本进一步降低。
参考文献
[1] Chen W， He J. N， Luo H. l， et al. Winding loss analysis and new air-gap arrangement for high-frequency inductors[A]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference[C]. Vancouver， Canada， 2001:2084—2089
[2] 《开关电源中电感气隙的设计与研究》南京航空航天大学航空电源重点实验室 旷建军、阮新波、任小永编著 中图分类号：TM55 文献标识码：B 文章编号：1606-7517（2010）04-4-99
[3] 《开关电源中的磁性器件》南京航空航天大学 赵修科著
电感器是节能灯、电子镇流器和开关电源等电子电器中的关键部件之一。传统的电感器一般由EE型磁心、骨架、线圈和胶带等组成；线圈缠绕在骨架的线圈缠绕轴上，将两个E字形磁体的中柱插入骨架的中空孔中，对接起来形成日字形磁回路；在两个E字形磁体外部用胶带紧密缠绕固定，然后进行防潮绝缘处理。为防止磁饱和现象的发生，通常在E字形磁体的中柱上用磨床研磨的方法设置一个磁路气隙，磁路气隙的设置使得磁回路的磁阻变大，磁阻变大后可有效防止磁饱和现象的发生，但同时也使得磁路气隙附近的扩散磁通增大，从而增加了电感器的绕线圈数。
而由UUI磁心制成的电感器，由于磁路双气隙及磁路气隙外移的结构特点，使得UUI新型电感器与性能相当的EE型电感器相比，具有省铜、高Q值、低损耗、低成本以及小型化等优点。其中，省铜是其核心竞争力的主要标志之一。
2 对比实验
下面我们做对比实验。实验一，用线径为0.14mm的漆包线分别在特制的小骨架上缠绕出6层每层8匝的线包，在每层线圈之间用绝缘胶带缠绕制作出绝缘层，绝缘层厚度为 1 mm，线包高度为1.6mm，小骨架的高度为3.3mm。用上述方法可制作出含有6个线圈的线包，每个线圈分别制作引出线，其中最内层线圈与磁心中柱边缘的间隙量为0.97mm，其他线圈与其相邻线圈的间距均为1.14mm，如图1和图2所示。在EE19磁心中柱的中间位置上设置磁路气隙，气隙量为1.2mm，该磁心是山东东泰科技发展有限公司提供的，材质为DTT-P4，其尺寸见表1。实验用TH2810B电感测试仪，在0.3V/100kHz工作条件下测量电感量。实验步骤为：将小线包置于EE型磁心中柱上，小线包的中心到EE型磁心中心横截面的距离为-4mm。在0.3V/100kHz工作条件下，用TH2810B电感测试仪分别测量线包中各个线圈的电感量；再将线包沿磁心中柱向上移动1mm，分别测量线包中各线圈的电感量；依此类推，其测量结果如表2所示。
实验二，我们把实验一中的EE19磁心换成UUI16.3磁心，该UUI磁心同样是山东东泰科技发展有限公司提供的，其材质与磁路气隙量和实验一的EE19磁心相同，其结构和尺寸如图3所示。其他实验条件与实验一相同，本实验中磁心与线包位置关系如图4和图5所示，实验步骤与实验一相同，实验结果如表3所示。
3 UUI型电感器的省铜原理
为了分析和阐述方便，我们先明确几个概念。根据文献[1]的分析和定义，在电感中的磁通可分为以下三个部分：(1)在磁心中构成回路的主磁通；(2)气隙附近进入磁心窗口的扩散磁通；(3)穿越磁柱之间窗口内的旁路磁通；如图6所示。由于主磁通未深入磁心窗口内，故它不会在绕组上感应出涡流；在气隙附近的扩散磁通进入磁心窗口，将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心窗口，也将在绕组上感应出涡流。
先来看实验一所得实验数据（见表2），我们以小线包在磁心中柱上的位置为横轴，以实测的电感量为纵轴，分别在平面内描点，然后将同一个线圈在不同位置上的电感量用曲线进行连接，得到一簇呈U字形曲线，如图7所示。
从图7中可看出，当每个线圈在磁路气隙中间位置时，电感量最低；而每个线圈离磁路气隙越远的地方，其电感量越高。当线包偏离3δ以上距离时，电感量的增量明显减小。我们还可以发现：所有内层线圈的电感量皆小于外层线圈的电感量，当线包在磁路气隙中间时，电感量的差值最大；最内层线圈的电感量曲线最为凹陷，而最外层线圈的电感量曲线最平直；第四层线圈的电感量曲线比第三层的曲线凹陷程度明显减小（第四层线圈与磁路气隙的距离大于3δ）。也就是说，在EE型电感器中处于磁路气隙附近的线圈，其电感量较低，在磁路气隙正中位置的线圈，其电感量最低。当线圈偏离磁路气隙3倍的气隙量距离时，线圈的电感量明显提高。
最内层线圈，在气隙中间位置时电感量为2.462μH，在距气隙中心4mm的位置时电感量为4.069μH，电感量提高了65.3%；而最外层线圈，在气隙中间位置时电感量为3.903μH，在距气隙中心4mm的位置时电感量为4.708μH，电感量仅提高了20.6%。由上述分析可知，在EE型电感器中，磁路气隙对其附近的线圈影响很大，由于磁路气隙的影响，使得在磁路气隙附近的线圈部分地失去“电—磁”转换作用。
根据文献[3]的分析，当磁路气隙量相对端面尺寸很小时(＜5%)，扩散磁通很小而可以被忽略；当磁路气隙量相对端面尺寸很大时，磁通不仅通过端面，而且还通过气隙的边缘、尖角和气隙附近的磁心侧表面流通；磁通在侧面流通时，一般认为发生在距气隙3倍的气隙量范围内。也就是说扩散磁通不仅存在于气隙边缘，而且还存在于气隙附近的磁心侧表面3倍的气隙量范围内。文献[2]表明，扩散磁通会在气隙附近的绕组上感应出涡流。旁路磁通在绕组上也将感应出涡流，但考虑到在本实验中，旁路磁通对绕组的影响较小，故忽略其影响，只考虑扩散磁通的影响而使分析简化。由于感应出的涡流可再感应出磁通，根据楞次定律，涡流感应出的磁通将会阻碍主磁通的变化，因此该磁通将削弱扩散磁通影响范围内的主磁通，从而使得气隙附近线圈的电感量变低，因此上述实验中发生了“线圈部分地失去‘电—磁’转换作用”的现象。要使EE型电感器获得一定的电感量，必然要增加线圈的匝数，从而造成了铜材的浪费。也是由于气隙附近的扩散磁通在线圈中感应出的涡流，使得整个EE型电感表现出了较高的电抗，增加了功耗，降低了Q值。
我们再来看实验二所得实验数据（见表3），用与实验一相同的方法进行描点和连线处理，绘制出的曲线如图8所示。
由于UUI磁心的气隙外移和磁路两气隙的结构特点，使得UUI磁心的扩散磁通对线包的影响大为降低，因此UUI的电感量曲线很平直，而不是如EE型的曲线呈U字形状态。UUI最里层线圈在中间位置上的电感量为4.586μH，而EE型的相同位置的电感量为2.462μH，相差2.124μH，相差近一倍。由此可见，EE型磁心的扩散磁通对磁路气隙附近的线圈影响较大，在线圈中产生了较大的涡流。
从UUI型磁心的结构可看出，其磁路气隙设置在线包外部以及其磁路两气隙结构特点，不仅使得磁路气隙附近的扩散磁通大为减小，而且由于扩散磁通所在位置由线包中心移到了线包外部，从而使得扩散磁通对线包的影响大为减小，线圈中由于扩散磁通造成的涡流也减小很多，涡流的减小使得线包中由于涡流感应出的磁通也将减小，由于涡流感应出的磁通其方向与主磁通相反，这样使得UUI型电感器的主磁通下降较少，从而在获得相同性能和电感量时，UUI电感器线圈的匝数较少。其效果等价于UUI用较少匝数的线圈代替了EE型磁路气隙附近较多匝数的线圈，从而使得UUI电感器线圈匝数减少，而且减少的匝数是线圈外围的匝数，线包匝数减少带来了绕线空间的富余。从上述分析可见，在性能相当的情况下，UUI型电感器与EE型电感器相比较，可大幅度地节省铜材。在UUI型电感器在绕线空间富余量足够大时，线包可采用多股线使其省铜比例扩大，或者进行省铜和小型化兼顾的设计而使其成本进一步降低。
参考文献
[1] Chen W， He J. N， Luo H. l， et al. Winding loss analysis and new air-gap arrangement for high-frequency inductors[A]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference[C]. Vancouver， Canada， 2001:2084—2089
[2] 《开关电源中电感气隙的设计与研究》南京航空航天大学航空电源重点实验室 旷建军、阮新波、任小永编著 中图分类号：TM55 文献标识码：B 文章编号：1606-7517（2010）04-4-99
[3] 《开关电源中的磁性器件》南京航空航天大学 赵修科著
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