开关变压器气隙

1、开关变压器气隙对于高频电感，相对气隙设在磁芯中部，如气隙设在磁芯拐角处，会使此处的扩散磁 通更容易深入到磁芯窗口内(如图 2(a) 、 (b) 所示)，这是因为磁通的分布，与所通过路 径的磁阻分布有关。相对气隙设在磁芯中部，气隙设在拐角处，扩散磁通经过路径的磁阻 要比气隙设在磁芯窗口中部要小。这样就会容易导致绕组损耗的增加。另外如气隙靠近磁 芯的上端面，在窗口内，有一局部磁通会绕过磁柱上的短端，直接在磁芯上端面和磁柱的 长端之间形成一个磁通路 (如图 2(c) 所示 ) ，从而使窗口内的扩散磁通增加。在图 3 所示的电感结构中，如此时绕组靠近气隙，将导致绕组损耗刚开始时，随气隙 在磁芯柱上的位

2、置 b 的增加而增加。当 b 增加到对应使扩散磁通最多时，绕组损耗增加 到最大值。此后随 b 的增加，由扩散磁通引起的绕组损耗将随 b 的增加而减少。最后当 b 增加到较大时，由于气隙距磁芯上端面较远，磁芯上端面对气隙附近的扩散磁通已不能产 生影响。这时随 b 的增加，由扩散磁通引起的绕组损耗根本不变。为了使绕组损耗刚开始 时不随 b 的增加而增大，可加大绕组与气隙间的距离，以减少气隙附近扩散磁通对绕组损 耗的影响。在图 3所示的 2 种电感结构中，用铜箔绕制的绕组损耗随气隙位置b 的变化趋势与漆包线绕组是不同的。这是因为两者之间在窗口内的磁通分布不同引起的。用漆包线绕制的 电感，旁路磁通的分

3、布如图 1(a) 所示 1 。而用铜箔绕制的电感，由于铜层对磁场的屏蔽 作用，旁路磁通的分布如图 1(b) 所示。磁通在窗口内的方向是在磁芯上下端面之间。在这 种情况下，改变气隙在磁芯柱上的位置，将对旁路磁通不会产生什么影响。所以当距离 b 较大时，随着 b 的进一步增加铜层绕组损耗将根本不变。而当距离 b 较小时， b 的改变 对绕组的损耗是有影响的，根据前面的分析，此时是气隙位置对扩散磁通的影响而造成的。 而用漆包线绕制的绕组，改变气隙在磁柱上的位置而能影响旁路磁通，从而影响绕组损耗， 详细情况可参考文献 1 。对本节前面的气隙位置对电感绕组损耗的分析进行了有限元验证。电感结构如图 3 所

4、 示，两种电感结构都选用南京新康达公司的 EE16A 磁芯。图 3(a) 为 0.1mm铜箔绕制的电感，根据参数 D 的不同有三种方案，具体参数见图 3(a) 和表 1。当电感绕组中通过幅值为 1A ，频率为 300kHz 的正弦电流时，用Ansoft Maxwell 2D电磁场有限元软件得到三种方案单位长度的绕组损耗随气隙在磁芯柱上位置的变化趋势如图 4(a) 所示。根据前面的分析，气隙位置 b 刚开始增加时，窗 口内扩散磁通增加。此时方案 1 绕组距气隙较近，导致绕组损耗随距离 b 的增加而增加。 当b大于约3个气隙距时，随b的增加，磁芯窗口内的扩散磁通开始减少，此时绕组损 耗随 b 的增

5、加而减少。当 b 大约 10 个气隙距时，随 b 的增加，磁芯窗口内的扩散磁通变 化很小，此时绕组损耗随 b 的增加而根本不变。为了在 b 刚开始增加时，使绕组损耗不增加，可以使绕组避开气隙远点的距离。方案2和方案 3中绕组分别距气隙 3.25 和 4.25个气隙距，从图 4(a) 可以看出绕组损耗在 b 刚开始增加时，绕组损耗不增加。图 3(b) 为漆包线绕组制成的电感，根据参数 D 的不同有三种方案，具体参数见图 3(b) 和表 2。当电感绕组中通过幅值为 0.1A ，频率为 300kHz 的正弦电流时，用 Ansoft Maxwell 2D 电磁场有限元软件得到三种方案单位长度的绕组损耗

6、随气隙在磁芯柱上位置的 变化趋势如图 4(b) 所示。比照图 4(a) 和 4(b) ，在图 4(a) 中当 b 大约为 10 个气隙距时， 绕组损耗随 b 的增加而根本不变。而在 4(b) 中，绕组损耗是随 b 的增加而减少明显的。 这和前面的分析是一致的。是由于气隙位置对两者之间的旁路磁通的影响不同而产生的结 果。而扩散磁通对两者的损耗影响是一致的。3 分布气隙参数对绕组损耗的影响为了减少损耗，通常要求绕组避开气隙一定的空间，一般为三个气隙长度左右。这样 在气隙较大时就会导致避让区域过大，使磁芯窗口面积利用率大大降低。因此为了减少损 耗和提高磁芯窗口面积的利用率，用分布的小气隙来代替大气隙

7、。如果小气隙之间的磁柱 长度太短，局部扩散磁通就会旁过短磁柱，进入磁芯窗口内(如图 5 所示)，使分布小气 隙的效果减弱。因此小气隙间的磁柱应该多长，来尽量减少小气隙之间的影响，就是一个 值得分析的问题。根据文献 1 和前面的分析，对于漆包线绕组由于气隙在磁柱上的位置 会影响磁芯窗口内的旁路磁通，最终影响绕组损耗。而根据上节的分析，对于用铜箔绕制 的电感，气隙位置不会影响到磁芯窗口内的旁路磁通。现在是为了研究气隙间的扩散磁通 对绕组损耗的影响，所以在研究过程中应该防止旁路磁通的改变而影响绕组损耗。故在此处选 用铜箔绕制的电感来进行研究。磁芯和绕组参数同图 3(a) 和表 1 中的方案 1，大气

8、隙为 0.6mm，拆分为2个0.3mm的小气隙(如图5所示)。当电感绕组中通过幅值为1A，频率为 300kHz 的正弦电流时，用电磁场有限元软件得到单位长度的绕组损耗随小气隙间磁 柱长度 d 的变化趋势如图 6 所示。由图可知绕组损耗的变化趋势和前面的分析一致。当 d 较小时对绕组损耗的影响较大，此时增加 d 能大大减少绕组损耗。随着 d 的增大，增加 d 对减少绕组损耗的作用逐渐减弱，当 d 大约为 5个小气隙长度左右时，气隙间距的变化对 绕组损耗影响较小。有时为了尽量减少绕组损耗，希望使用多个分布小气隙来代替集中的一个大气隙。使 用的小气隙越多，工艺就越复杂，本钱就越高。同时增加太多的小气

9、隙，对减少绕组的损 耗不一定明显。因此小气隙个数增加到多少适合也是一个值得分析的问题。磁芯和绕组参 数同图 3(a) 和表 1 中的三种方案。气隙布置在 3个磁芯柱上，每个磁芯柱上的气隙总长为 0.6mm ，拆分成的小气隙在磁柱上均匀分布。图 7为每个磁柱上 6个分布小气隙的示意图。 当电感绕组中通过幅值为 1A ，频率为 300kHz 的正弦电流时，用电磁场有限元软件得到 单位长度的绕组损耗随小气隙个数的变化趋势如图 8所示。对图 8 所示的结果进行分析， 刚开始增加气隙的个数，能大大减少绕组的损耗。但气隙的个数增加到6 到 7 个气隙以后，再增加气隙的个数对绕组损耗影响不大。在方案 1 中当磁柱上为一个集中气隙时，气隙长 度为 0.6mm ，绕组距磁芯边柱的距离为 0.45mm ，即绕组距边柱为 0.75 个气隙长度。当 磁柱上为两个小气隙时，气隙长度为 0.3mm ，绕组距边柱为 2 个小气隙的距离，从图 8 可 见此时增加气隙能大大减少绕组的损耗。当磁柱上为 4 个气隙时，小气隙长度为 0.15mm ， 绕组距边柱为 3 个小气隙长度，以后再增加气隙的个数，绕组损耗的减少就不多了，当气 隙增加到 6 个时，小气隙长度为 0.1mm ，绕组距边柱为 4.5 个小气隙长度，以后再增加气 隙的个数，绕组损耗的减少就不明显了。这和绕组应避开气隙 3 个气隙长度的