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功率變換器因性能優(yōu)越得到廣泛的運(yùn)用，功率電感作為儲(chǔ)能和濾波的器件之一，對(duì)電路的效率、電磁干擾、電流紋波等有重要的影響。在低頻，小功率運(yùn)用場合通常使用環(huán)形電感，但是隨著功率變換器開關(guān)頻率越來越高，環(huán)形電感的磁芯損耗問題越來越突出，EE電感因繞組窗口大、散熱面積大、高頻特性好，常用于高頻、高功率密度的功變換器。但是其缺點(diǎn)是磁場泄漏比較嚴(yán)重，功率電感處于主功率回路，繞組的電流大，磁芯并非完全封閉，磁芯磁導(dǎo)率有限等因素加劇了電感的近磁場泄漏。

功率變換器中，控制電路的電信號(hào)相對(duì)較弱，且又在功率變換器主電路附近，因此易于受到磁性元件泄漏磁場的干擾，在電感設(shè)計(jì)中，近磁場泄漏是主要考慮的因素之一。

本文主要研究EE電感的近磁場泄漏的分布形式及其變化規(guī)律，首先分析了EE電感XY平面、YZ平面泄漏磁的差異，然后根據(jù)兩種不同氣隙結(jié)構(gòu)EE電感的磁勢分布確定主要磁場泄漏區(qū)域，并通過三維仿真驗(yàn)證，針對(duì)氣隙位于磁芯中柱的情況提出合成雙二維仿真方式代替復(fù)雜的三維仿真，最后分析了電感磁芯磁導(dǎo)率、氣隙長度、繞組匝數(shù)和繞組位置等因素對(duì)EE電感近磁場泄漏的影響。EE電感的近磁場泄漏研究有利于電子產(chǎn)品PCB的高密度互連，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化，高頻化！

EE電感由兩個(gè)E型磁芯和繞組構(gòu)成，繞組單獨(dú)繞制后和磁芯組合使用EE的繞組氣隙磁芯都可能存在磁場泄漏，其泄漏磁層是空間三維分布根據(jù)磁芯繞組和泄漏磁場的位置關(guān)系，EE電感的近磁場泄漏可以分成XY平面磁場泄漏、YZ平面磁場泄漏兩部分，如圖1 所示：

XY平面內(nèi)繞組垂直于磁芯，繞組電流產(chǎn)生的主磁通泄漏磁通都在XY平面、YZ平面內(nèi)繞組與磁芯平行，繞組電流產(chǎn)生的主磁通經(jīng)XY平面的磁芯形成回路，但是泄漏磁場卻主要YZ 平面、XY平面的泄漏磁場與磁芯和繞組的長度(Z軸方向)無關(guān)，因此可用二維仿真表示，YZ平面的泄漏磁場與XY平面的磁芯有關(guān)，無法用二維仿真表示其泄漏磁場，全部表現(xiàn)EE型電感的近磁場泄漏必須進(jìn)行三維仿真在磁性元件的近磁場泄漏研究中，為了定性和定量分析近磁場泄漏的場分布形式、數(shù)值大小、變化規(guī)律等通常是研究泄漏磁場最嚴(yán)重區(qū)域，一般為某個(gè)平面內(nèi)的磁場泄漏，這樣有可能在誤差允許的范圍內(nèi)通過適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃喕�，用二維的磁場仿真代替復(fù)雜的三維仿真。

如電路中兩點(diǎn)之間存在電勢差就會(huì)在周圍產(chǎn)生泄漏電場，在磁路中如果兩點(diǎn)之間有磁位差，也有可能產(chǎn)生近磁場泄漏。因此做出EE電感磁位分布圖，根據(jù)磁位分布就能確定磁場泄漏最大區(qū)域EE型電感氣隙在中柱的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，在圖2(a)中選取氣隙中點(diǎn)為磁位的參考點(diǎn)(即x=0)，并假定磁芯中沿磁通的正方x取正值，繪制線圈磁勢分布F磁芯磁阻壓降Ucx和任意位置與參考點(diǎn)的磁位差Ux如圖2(b)，從磁位差分布Ux可知在氣隙兩端的磁位差最大，繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢全部降落在氣隙位置，因此氣隙處近磁場泄漏最嚴(yán)重！

以 EE28 磁芯繞制的電感為例，中柱氣隙1mm上下對(duì)稱分布，繞組14匝為直徑0. 59mm的漆包線，由于計(jì)算機(jī)硬件資源限制，僅仿真八分之一的電感三維模型如圖3，設(shè)置繞組的激勵(lì)電流為1A(歸一化，下文除特殊說明外繞組激勵(lì)電流均為1A) 仿真后計(jì)算氣隙中心所在平面泄漏磁場的磁通密度如圖4，圖中氣隙位置的泄漏磁場遠(yuǎn)大于磁芯邊柱和其他區(qū)域與的泄漏磁場，并且泄磁場主要是位于YZ平面。

YZ平面的泄漏磁場無法用簡單的二維仿真表示，為了簡化EE電感氣隙位于中柱近磁場泄漏的三維仿真，本文提出合成雙二維方法，能夠?qū)⑷S仿真簡化為二維的仿真，合成雙二維的原理如圖5所示EE磁芯簡單的YZ平面近磁場泄漏二維仿真 如圖5(a) 。因主磁通路徑和磁壓分布與實(shí)際電感不符合，誤差大，但是XY平面近磁場泄漏二維仿真的主磁通路徑，氣隙磁壓與實(shí)際情況一致，具有很高的精度。如果將簡單的XY平面、YZ平面二維模型各取一半組合形成合成雙二維如圖5(c) ，這樣能同時(shí)保證主磁通的路徑和磁壓分布與實(shí)際相符合，其仿真結(jié)果應(yīng)該與三維仿真結(jié)果相同，仿真得到左側(cè)的磁場為YZ平面的磁場泄漏，右側(cè)為XY平面的磁場泄漏為驗(yàn)證合成雙二維方法的有效性，建立圖3 EE電感對(duì)應(yīng)的合成雙二維仿真模型，仿真后得到泄漏磁場的磁力線分布，如圖6所示：

從圖6可知，YZ平面的泄漏磁場遠(yuǎn)大于XY平面的泄漏磁場，這與三維仿真得到的泄漏磁場的磁通密度分布相符，泄漏磁場的磁力線從氣隙處向外擴(kuò)散，在氣隙附近形成一組同心圓，為了定量比較合成雙二維和三維仿真的差異，在圖3三維模型圖6合成雙二維中垂直繞組方向繪制一條長10mm的直線Line1、Line2計(jì)算兩條直線上每個(gè)位置泄漏磁場的磁通密度 如圖7所示，圖7中兩種仿真方式測量得到磁場泄漏基本相同，因此對(duì)于氣隙位于中柱的EE電感，使用合成雙二維仿真方式能夠有效的表示磁場泄漏。

同樣依照磁位分析方法，繪制EE電感氣隙在中柱和邊柱的磁勢分布 如圖8(b)所示，從磁勢分布可知，由于中柱和邊柱都有氣隙，在很長的磁路范圍內(nèi)磁位差較大，尤其是在磁芯的邊柱上磁位差很大，這在電感周圍會(huì)引起很大的近磁場泄漏。

以 EE28 磁芯繞制的電感為例，中柱和邊柱氣隙均為1mm上下對(duì)稱分布，繞組14匝為直徑0.59mm的漆包線，構(gòu)建八分之一電感三維仿真模型(如圖9 所示)，仿真后繪制氣隙中心所在平面泄漏磁場的磁通密度云圖(如圖10所示) ，根據(jù)磁密云圖，繞組和磁芯中柱之間的泄漏很大，但是在繞組之外由于繞組的泄漏磁場和氣隙泄漏磁場方向相反，總磁場相互抵消因此繞組之外的泄漏磁場很小，磁芯邊柱較大的范圍內(nèi)都有磁場的泄漏，邊柱四周的泄漏磁場的分布基本情況相同，這與磁勢的分析得到的結(jié)果一致，為了定量比較中柱和邊柱泄漏磁場的大小，在圖9，三維模型中作10mm長垂直邊柱側(cè)面-前面 -中柱前面的直線Line3、Line4、Line5，計(jì)算三條直線泄漏磁場的磁通密度，(如圖11所示)由圖可知，邊柱側(cè)面前面的泄漏磁場基本相同，并且邊柱的泄漏磁場遠(yuǎn)大于中柱的泄漏磁場，由于磁性元件的泄漏磁場只研究磁場泄漏最大的區(qū)域，因此EE電感中柱和邊柱都?xì)庀肚闆r下，只要研究XY平面的磁場泄漏。

為了比較EE電感氣隙位于中柱和邊柱二維仿真與三維仿真的差異，根據(jù)圖9三維模型構(gòu)建XY平面的二維模型(如圖12 所示)并在圖12 中繪制泄漏磁場的磁力線分布，從圖可知，邊柱的氣隙附近為主要的磁場泄漏區(qū)域，磁力線以氣隙為圓心向外擴(kuò)散和圖9直線Line3相同位置做一條長10mm直線 Line6，計(jì)算直線Line3和Line6每個(gè)位置泄漏磁場的磁通密度，(如圖13 所示)從圖可知兩種仿真方式得到的結(jié)果基本一致，因此XY平面泄漏磁場受到Y(jié)Z平面的影響很小，簡單的二維仿真在精度上已經(jīng)滿足XY平面的磁場泄漏分析！

不同磁芯材料開關(guān)頻率直流偏置等導(dǎo)致磁芯磁導(dǎo)率發(fā)生變化，為了研究磁芯磁導(dǎo)率對(duì)近磁場泄漏的影響，設(shè)置圖12仿真模型中磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為1000、1500、2000、2500、3000五種，仿真后計(jì)算直線Line6上泄漏磁場的磁通密度，(如圖14所示)由圖可知，在較寬的磁導(dǎo)率變化范圍內(nèi)，泄漏磁場基本相同，因此在一定范圍內(nèi)磁芯的磁導(dǎo)率波動(dòng)對(duì)EE電感磁場泄漏的影響很小。

兩種氣隙布置的EE電感都是在氣隙位置泄漏磁場最大，因此氣隙的大小對(duì)近磁場泄漏數(shù)有較大的影響，改變圖12模型的氣隙長度分別為lg=1mm、lg=0.8mm、lg=0.6mm、lg=0.4mm四種，仿真后計(jì)算直線Line6泄漏磁場的磁通密度，(如圖15所示)由圖可知，電感的氣隙越小，在靠近氣隙位置的泄漏磁場越大，但是距離氣隙一定距離(1mm) 后泄漏磁場基本相同，因此氣隙大小只影響非常靠近氣隙區(qū)域的磁場泄漏，對(duì)于離氣隙較遠(yuǎn)位置的磁場泄漏較��！

EE電感因不同的電路設(shè)計(jì)，繞組匝數(shù)繞組在磁芯窗口的位置不同，根據(jù)之前的分析，電感在氣隙位置磁壓差最大，磁場泄漏最嚴(yán)重，因此泄漏磁場應(yīng)該與具體的繞組匝數(shù)和繞組位置無關(guān)，只和總的激磁安匝相關(guān)，為了驗(yàn)證該設(shè)想，設(shè)計(jì)兩組仿真，一組仿真保持繞組激磁電流為1A，但是繞組放置在磁芯窗口的不同位置如圖16(a)所示，另一組仿真中繞組的匝數(shù)不同，分別為n=14、n=28、n=56 如圖16(b) 所示，為了使總的激磁安匝不變，三個(gè)模型的激勵(lì)電流分別為1A、0.5A、0.25A仿真后計(jì)算這六種結(jié)構(gòu)電感氣隙旁10mm長直線上泄漏磁場的磁通密度，結(jié)果如圖17所示圖中六種情況電感的磁場泄漏相同，驗(yàn)證了之前的設(shè)想！

本文以EE電感的近磁場泄漏為研究對(duì)象，借助有限元仿真軟件Ansoft Maxwell分析其泄漏磁場，得出結(jié)論如下:

(1) EE 磁芯空間三維泄漏磁場可分成XY平面磁場泄漏和YZ 平面磁場泄漏XY平面近磁場泄漏可用簡單的二維仿真實(shí)現(xiàn)，YZ平面近磁場泄漏適合用合成雙二維表示。

(2) 氣隙在中柱的EE電感，中柱氣隙位置是主要的磁場泄漏區(qū)域，中柱和邊柱都有氣隙的EE電感，邊柱的泄漏磁場遠(yuǎn)大于中柱的泄漏磁場，邊柱四周的泄漏磁場分布情況變化規(guī)律基本一致。

(3) 磁芯的磁導(dǎo)率并不會(huì)明顯影響近磁場泄漏，電感的氣隙越小靠近氣隙位置的泄漏磁場越大，電感的繞組匝數(shù)、繞組位置對(duì)近磁場泄漏影響較小，磁場泄漏與電感總的激磁安匝有關(guān)。

（本文作者：陳為(1958-)，男，博士，教授，研究方向: 電力電子功率變換，高頻磁技術(shù)，電磁兼容診斷與濾波器，電磁場分析與應(yīng)用和電磁檢測等。）