摘要：  本文通过理论与仿真分析比较了相同尺寸下UUI新型结构磁芯和传统EE结构磁芯电感器的主要电气参数，如感量，磁通密度分布以及直流叠加特性，结果表明UUI电感器较EE型具有感量大，磁芯磁通密度分布更均匀，直流叠加特性较好的优点。

关键字：  电感，气隙，直流叠加特性

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，其合理设计有利于提高电源效率和可靠性。功率电感磁芯一般采用磁粉芯或铁氧体材料，磁粉芯材料磁导率较低，不需要设计气隙，但由于磁芯损耗大的限制，不适用于高频(100kHz>)应用。而铁氧体磁芯高频损耗小，但磁导率高，需要设计气隙。而气隙位置和设置由于改变了电感器的磁场分布，因此对电感的电气参数和损耗参数有较大的影响。气隙的设计成为一个重要研究内容。传统的电感器一般由EE型磁芯、骨架、线圈和胶带等组成，其通常在E形磁体的中柱上放置一个气隙。而UUI磁芯结构将其气隙移到了侧边，在加工和装配上比较简单，有一定优点。本文对这两种磁芯结构的主要电气参数性能进行理论和仿真分析比较，得出UUI型电感器较EE型电感器的一些优越性。
2 电感UUI与EE磁芯结构分析比较
UUI与EE磁芯结构电感器二维以及三维示意图分别如图1、图2所示。EE磁芯结构电感器由EE型磁芯、骨架、线圈和胶带等组成，其线圈缠绕在骨架的线圈缠绕轴上，将两个E字形磁体的中柱磁芯各研磨留出一段气隙，以防止磁芯饱和，接着将其插入骨架的中空孔中，对接起来形成日字形磁回路，然后在两个E字形磁体外部用胶带紧密缠绕固定，最后进行防潮绝缘处理。而由UUI磁芯制成的电感器，与EE型唯一不同的是其气隙移到了侧边，其可以采用垫片而不用研磨的方法来留出气隙，更容易加工；同时也可以不使用骨架直接把线圈缠绕在中柱上，装配更简单。
接下来本文分别对UUI型和EE型电感器的主要电气参数（如感量，磁通密度分布，直流叠加特性）进行理论与仿真分析比较。
2.1 感量比较
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，在电感中的磁通可分成以下三个部分（如图3(a)）：(1)在磁芯中构成回路的主磁通；(2)在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。这里要注意的是，图中给出的是绕组由漆包线构成的情况，而铜箔绕制的电感，由于铜层对磁场的屏蔽作用，其旁路磁通分布与漆包线绕组是不同的。
为便于分析，将上述三部分磁通做理想化处理，如图3(b)所示。其中，主磁通存储了电感的大部分能量，其作用是产生外自感磁链，由于这部分磁通未深入线圈窗口内，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芯窗口，将在气隙附近的绕组上感应出涡流。而旁路磁通的作用是产生内自感磁链，同时其穿越铁心柱间的线圈窗口，将在线圈上感应出很大的涡流和损耗。所以在主磁通相同的情况下，UUI和EE这两种磁芯结构的外自感基本相同，但内自感有所不同。虽然外自感占电感量的主要部分，但在气隙较大的情况下，内自感对增加电感量也有一定的帮助。接下来就比较一下这两者的内自感大小。
内自感与内自感磁链成正比，而内自感磁链与绕组窗口旁路磁势以及其所链的匝数有关。通过一些合理的假设[2]，可以对旁路磁通建立数学模型进行分析，得到UUI与EE磁芯结构绕组窗口旁路磁势以及所链匝数理论分布图，如图4(a)、(b)所示。Aw表示绕组高度，Ac为磁芯窗口高度。从图中可以看出两者磁势最大值虽然相同，都是安匝的一半，但其分布位置不同。
而内自感的磁链计算公式如式(1)所示[3]。
  式(1)
从这个式子可知，两种磁芯结构的绕组窗口旁路磁势不同，故导致内自感不同。通过Mathcad数学软件利用式(1)分别计算UUI型和EE型结构的内自感，得到UUI型电感器和EE型电感器的内自感与绕组高度的关系图如图5所示。
从图5(a)可知，UUI结构的内自感随着绕组高度的增大而减小，相反的，EE结构的内自感是随着绕组高度的增大而增大，但UUI结构比EE结构磁芯始终具有更大的内自感。这个从图5(b)中更能看出，当绕组布满整个窗口（即Aw/Ac=1）时，UUI结构比EE结构的内自感大一倍；同时绕组高度越小（即Aw/Ac越小），UUI比EE结构内自感的增加越大，在绕组高度是磁芯窗口高度的一半时，UUI结构的内自感已达到EE结构的内自感的八倍。[#page#]
2.2 磁芯磁通密度分布比较
磁芯中磁通密度分布不均可能会导致电感较易饱和，也会引起损耗增加，所以本文利用有限元电磁场分析软件Maxwell-2D分别对UUI电感器和EE电感器进行仿真比较，得到图(6)所示的标号为1、2、3三条线上磁通密度分布图，其中(a)为UUI结构的磁通密度分布图，(b)为EE结构的磁通密度分布图。
从图6标号2和3这两条线上的磁通密度分布图中可以很清楚的看到，EE结构磁芯中的磁通密度增加的幅度比UUI结构要大，所以UUI结构比EE结构的磁通密度分布更均匀。
2.3 直流叠加特性比较
在某些电路中，电感往往需要在有一定的直流状态下工作。在这种情况下工作的磁芯往往要求直流叠加特性要好，即在叠加直流下，磁芯电感的下降幅度要低。所以本文对这两种磁芯结构的直流叠加特性进行详细的研究与仿真分析。本文利用有限元电磁场分析软件Maxwell-2D分别对UUI电感器和EE电感器进行仿真，其仿真分析模型与尺寸如图7所示（单位是mm）。UUI型磁芯与线圈尺寸与EE型完全相同，只是把气隙位置放在两边。仿真所采用的磁芯材料是JPP-44A。其特性参数如图8所示。本文采用的是25℃下的B-H曲线。
为便于比较EE与UUI磁芯的特性差异，两者的线圈及磁芯尺寸应该相同，匝数相同，但调整气隙大小使得初始感量相同。所以对于EE型我们设置气隙为0.94mm，匝数为N=180得到的感量为5.376mH，对于UUI型设置每个气隙为0.6mm，匝数为N=180时的感量为5.34mH。这两者初始感量基本相同。通过仿真观察电流从0.06A增加到5.5A UUI电感器和EE电感器的交流电感变化（即直流叠加特性）如图9所示。其中交流电感是通过式(2)和(3)来计算的。
                           式(2)
       式(3)
其中：Ψ—磁链，E—直流磁能，i—电流，LΔ—交流电感。
由图9可知，UUI结构电感器的直流叠加特性比EE结构略有提高。这是因为在磁芯尺寸与线圈匝数相同的情况下，由于UUI型电感器的内自感较EE型大，所以UUI结构所需设置的气隙长度较EE型大才能使得这两者初始感量相同。在其他条件相等的情况下，磁路上的气隙越大，电感也就越不容易饱和。
2.4 近场扩散磁场
EE型结构电感器是把气隙放在磁芯的中柱上，其被绕组包围，磁场泄露较小。而UUI结构的气隙分布在侧边，这时由于气隙端面存在磁压降，所以在气隙周围的空间就会有磁场泄露，这是较EE型不好的地方，但其扩散的范围不大，局限在气隙附近。通过有限元电磁场分析软件MaxWell-2D对其进行仿真，观察其磁力线分布如图10所示。由于两个气隙的磁势方向是左右相反的，从大范围上看，两个磁势是抵消的，因此其扩散磁通只局限在气隙附近，不会形成大范围的扩散影响。
3 结论
通过以上理论和仿真分析表明，UUI与EE结构在相同磁芯尺寸下相比，具有如下特点：
(1)绕组窗口漏磁产生的内自感增大，因此总感量有一定增大；
(2)磁芯的磁通密度分布更加均匀些；
(3)直流叠加特性有所提高；
(4)扩散磁通只局限在气隙附近，不会形成大范围的扩散影响。
虽然UUI结构在气隙附近会有扩散磁通但扩散范围不大，所以UUI型电感器较EE型电感器相比，还是具有一定的优越性。本文主要研究了这两种磁芯结构的电气参数，但其损耗参数也是一项非常重要的内容，所以后面会继续开展研究这两种磁芯结构气隙对绕组损耗影响的工作。
参考文献
[1] 旷建军，阮新波，任小永开关电源中电感气隙的设计与研究》， 中国电源学会全国电源技术年会（第17届）2007年10月20日
[2] 陈为，毛行奎，罗恒廉，董纪清《高频电感器线圈损耗分析与交错气隙布置》电工技术学报2003年12月第18卷第6期
[3] 赵修科著《开关电源中的磁性器件》， 南京航空航天大学， 辽宁科学技术出版社， 2002年08月
作者简介
郑娟娟(1987-)，女，硕士研究生，研究方向为电力电子高频磁技术。
陈为(1958-)，男，博士，教授，博士生导师。研究方向为电力电子功率变换、高频磁技术、电磁兼容与滤波器、电磁场分析与应用和电磁检测等。