環(huán)形共模電感近磁場泄漏分析

陳開寶 陳 為

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

環(huán)形共模電感近磁場泄漏分析

陳開寶 陳 為

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

為了解決功率變換器引起的EMI問題，普遍的做法是使用濾波器。環(huán)形共模電感作為EMI濾波器中重要的器件，既是容易受外界磁場干擾的敏感設(shè)備，也是一個主要的磁場泄漏源。本文以環(huán)形共模電感為研究對象，借助有限元分析軟件Ansoft Maxwell分析了環(huán)形電感近磁場泄漏的場分布形式及變化規(guī)律，并分析了兩種繞組方式、磁心材料磁導(dǎo)率、繞組張角、磁性外徑等因素對共模電感近磁場泄漏的影響。實驗結(jié)果可用于指導(dǎo)共模電感設(shè)計以及電路布局。

共模電感；近磁場；磁泄漏

功率變換器效率高、體積小、電能處理方便，因此得到廣泛的運(yùn)用。但是鑒于開關(guān)器件的高頻通斷，使功率變換器存在較大的電磁干擾[1]。電磁兼容是功率變換器一項重要的指標(biāo)，任何商品化的功率變換器都要通過電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)測試。EMI濾波器作為抑制電磁干擾的有效措施，共模電感是EMI濾波器中重要的器件，它能有效減少從功率變換器進(jìn)入電網(wǎng)的共模干擾信號。

共模電感雖然是用來抑制共模干擾信號，但是繞組通過的電流主要是功率電流，由共模電流引起的近磁場泄漏很小，共模電感的近磁場泄漏主要是由功率電流引起的。在高功率密度運(yùn)用場合，EMI濾波器與主電路之間的距離、EMI濾波器內(nèi)部器件之間的距離都比較小，共模電感近磁場泄漏與其他器件耦合，EMI濾波器的高頻衰減特性變差，因此濾波器往往處于過設(shè)計[2]。已有研究表明，在濾波器電路結(jié)構(gòu)和器件完全相同的情況下，僅僅調(diào)整濾波器內(nèi)部器件的布局，濾波性能就出現(xiàn)很大的差異，這說明磁性元件的泄漏磁場耦合已經(jīng)嚴(yán)重影響到電路的性能。

共模電感近場磁泄漏與磁心形狀、繞組結(jié)構(gòu)、繞組激勵、周圍環(huán)境等因素相關(guān)，泄漏磁場空間分布形式復(fù)雜，一般難以通過基本電磁場公式獲得理論解，因此研究共模電感近磁場泄漏的文獻(xiàn)資料相對較少。通常構(gòu)建共模電感高頻模型時都是借助阻抗分析儀等提取單個共模電感的寄生參數(shù)，并沒有考慮共模電感與其他器件之間的磁場耦合。如果能很好的控制或者知道共模電感磁場泄漏的形式和規(guī)律，就可以實現(xiàn)零耦合，提高濾波器的性能[3]。

本文借助有限元仿真軟件Ansoft Maxwell，分析環(huán)形共模電感的近磁場泄漏的場分布形式和規(guī)律，并分析了繞組繞方式、繞組張角、磁心材料磁導(dǎo)率等因素對共模電感近磁場泄漏的影響。

1 共模電感兩種繞組方式近場磁泄漏對比

功率變換器中的共模干擾信號在L線、N線和地線構(gòu)成回路，為了抑制該干擾信號，需要在共模信號回路上串聯(lián)大阻抗的共模電感。共模電感磁心材料的磁導(dǎo)率高、繞組匝數(shù)多，兩個繞組以相同繞向繞組繞制在一個磁心上。共模干擾信號產(chǎn)生的磁場相互疊加，較小的共模干擾電流就能產(chǎn)生較大的共模磁通。但是兩個繞組上功率電流產(chǎn)生的磁通方向相反，磁心不易飽和，共模電感比較常見的繞組繞制方式有兩種。圖1（a）所示的繞組繞制方式一，是兩個繞組分開繞制在磁心左右兩側(cè)，為了在共模電感集成差模分量，繞組的張角（圖 1中的α）并非180°，并且繞組張角可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。圖1（b）所示的繞組繞制方式二，是兩個繞組并繞，均勻繞制在磁心上。

圖1 共模電感兩種繞組方式

共模電感近場磁泄漏具有空間三維特征，如果完整表達(dá)共模電感的近場磁泄漏就需進(jìn)行三維仿真。三維仿真不僅對計算機(jī)硬件資源要求高，而且難以定量和定性分析近磁場泄漏。以共模電感一匝繞組產(chǎn)生的近場磁泄漏為例，如圖2所示。繞組產(chǎn)生的泄漏磁場可以分為圓周面和上下面磁場泄漏兩部分。上下面產(chǎn)生的近磁場泄漏無法用簡單的二維仿真表示，圓周面產(chǎn)生的磁場泄漏與磁心高度無關(guān)，因此可以用簡單的二維仿真實現(xiàn)，本文僅研究共模電感圓周面產(chǎn)生的近場磁泄漏。

1.1 繞組方式一近磁場泄漏分析

借助有限元仿真軟件Anosft Maxwell構(gòu)建繞組方式一共模電感二維模型如圖3所示。磁心內(nèi)徑ID= 15mm、外徑OD=25mm、磁心相對磁導(dǎo)率10000，磁心高度采用軟件默認(rèn)值為 1m。左右繞組各為 19匝，線徑為0.9mm的漆包線，繞組張角α=150°，繞組電流激勵為1A（本文所指的繞組電流激勵均為共模電感1匝繞組上施加的電流激勵，下文用到的繞組激勵均為1A）。

圖2 共模電感圓周面和上下面近磁場泄漏

圖3 共模電感繞組方式一仿真模型

圖4 繞組方式一近磁場泄漏磁力線分布

借助有限元仿真軟件Anosft Maxwell構(gòu)建繞組方式一共模電感近磁場泄漏的磁力線分布如圖4所示。兩個繞組在主功率電流激勵下產(chǎn)生的磁場在磁心中方向相反，磁力線在磁心上下端經(jīng)空氣構(gòu)成閉合回路，空氣中磁通的路徑有主要兩條（圖4中路徑A和路徑B）。路徑B在電感內(nèi)部，不影響電感對外的磁場泄漏，磁通路徑A從共模電感上下兩端開始經(jīng)電感外圍空間形成回路，經(jīng)過路徑A的磁通數(shù)量多，磁通擴(kuò)散范圍廣。從電感近磁場泄漏的磁通密度云圖（圖 5）可知，電感的上下端泄漏磁場的磁通密度較大，并且在共模電感四周較大范圍內(nèi)都有較強(qiáng)的磁場泄漏。

圖5 繞組方式一近磁場泄漏磁通密度云圖

1.2 繞組方式二近磁場泄漏分析

構(gòu)建繞組方式二的共模電感二維仿真模型如圖6所示。磁心尺寸、繞組匝數(shù)與圖 3的模型相同，繞組從左右兩側(cè)布置變成雙股并繞。

圖6 繞組方式二仿真模型

共模電感繞組方式二的近磁場泄漏磁力線分布如圖7所示。由于共模電感結(jié)構(gòu)對稱并且繞組均勻分布，所以磁力線的在電感四周在電感的圓周范圍內(nèi)均勻分布，整體上呈“花朵”狀?？拷判膮^(qū)域磁力線較為密集，遠(yuǎn)離磁心較稀疏。與圖5相同計算范圍繪制繞組方式二泄漏磁場的磁通密度如圖 8所示。對比圖 8、圖 5可知，繞組方式二的共模電感近磁場泄漏不僅數(shù)值遠(yuǎn)小于繞組方式一，而且泄漏磁場的影響區(qū)域更小。

圖7 繞組方式二近磁場泄漏磁力線分布

圖8 繞組方式二近磁場泄漏磁通密度云圖

為了定量分析、比較共模電感兩種繞組方式磁場泄漏，在磁場泄漏較強(qiáng)的上下端從距離繞組表面1mm開始沿磁心半徑方向向外做一條20mm的直線（圖3的Line1、圖6的Line2），計算兩條直線上的磁通密度如圖9所示。從圖可知，繞組方式一近磁場泄漏的磁通密度在計算范圍內(nèi)均大于方式二，而且磁通密度減小比較緩慢。

圖9 兩種繞組方式近磁場泄漏磁通密度對比

共模電感繞組方式二雖然近磁場泄漏較小，但是繞組并繞寄生參數(shù)大，高頻特性差，差模分量小，需配合差模電感使用，實際中運(yùn)用較少。下文繼續(xù)研究繞組方式一共模電感磁場泄漏的影響因素。

2 共模電感近磁場泄漏影響因素分析

2.1 磁心磁導(dǎo)率對共模電感近磁場泄漏影響分析

共模電感的磁心為高磁導(dǎo)率的錳鋅或鎳鋅，不同的材料配比，磁導(dǎo)率存在一些差異，可能會影響共模電感近磁場泄漏。改變圖3仿真模型的磁心相對磁導(dǎo)率分別為3000、7000、10000、15000，仿真后計算圖3中Line1線上泄漏磁場的磁通密度如圖10所示。從圖可知，4個磁導(dǎo)率下泄漏磁場的磁通密度變化曲線重合。共模電感繞組的功率電流產(chǎn)生的泄漏磁通經(jīng)過空氣形成回路，空氣路徑長，磁阻大，共模磁心的相對磁導(dǎo)率最小也有幾千，磁心磁阻基本可以忽略，因此磁心的磁導(dǎo)率對共模電感近磁場的泄漏的影響并不是很明顯。

圖10 不同磁心磁導(dǎo)率泄漏磁場磁通密度對比

2.2 共模電感繞組張角對近磁場泄漏影響分析

共模電感通過調(diào)整繞組張角α，保持共模分量不變就能獲得不同的差模分量。但是調(diào)整繞組張角會導(dǎo)致共模電感泄漏磁場數(shù)值大小、影響范圍發(fā)生變化。以圖3的模型為例，保持繞組匝數(shù)不變，改變繞組的張角分別為 80°、90°、120°、150°，4種結(jié)構(gòu)如圖11所示，在磁心厚度為1m條件下得到差模電感見表 1，繞組張角越小差模分量越大。同1.2節(jié)的處理方法，計算磁心表面1mm開始沿半徑朝外 20mm直線上泄漏磁場的磁通密度如圖 12所示。從圖可知，繞組張角越大，靠近電感兩端泄漏磁場越大，隨著距離的增加，不同張角下近磁場泄漏情況基本一致。從4種繞組張角共模電感的近磁場泄漏的磁通密度云圖（圖13）可知，繞組張角越小，近磁場泄漏影響的范圍越大。

圖11 不同繞組張角的共模電感

表1 共模電感不同繞組張角的差模分量

圖12 不同繞組張角泄漏磁場對比

圖13 不同繞組張角泄漏磁場磁通密度云圖

2.3 磁心外徑對共模電感近磁場泄漏的影響分析

共模電感泄漏磁場通過空氣形成回路，磁心外徑OD不同泄漏磁場磁通路徑長度不同，泄漏磁場會發(fā)生變化。在磁心內(nèi)徑、繞組匝數(shù)、繞組張角相同（ID=15mm，繞組19匝，α=150°）的條件下改變外徑分別為OD=20mm、OD=25mm、OD=30mm、OD=35mm，4種電感結(jié)構(gòu)如圖14所示。仿真后計算電感上端從距離磁心表面 1mm開始沿磁心半徑朝外 20mm直線上的泄漏磁場的磁通密度如圖 15所示。

圖14 四中不同外徑的共模電感

圖15 不同磁心外徑泄漏磁場對比

從圖15可知，在靠近共模電感區(qū)域，磁心外徑越小，空氣磁通路徑較短，磁阻較小，產(chǎn)生的泄漏磁場的磁通密度越大。距離電感一定距離后，氣隙磁通路徑已經(jīng)較長，磁心外徑不同對磁路磁阻的影響很小，4種情況的泄漏磁場基本相同。

2.4 磁心中插入鐵氧體對共模電感近磁場泄漏的影響分析

調(diào)整共模電感的差模分量除了調(diào)整繞組張角，還可以在磁心中插入鐵氧體等軟磁材料，降低差模磁通路徑的磁阻。保持與圖3相同的磁心、繞組結(jié)構(gòu)，在磁心中插入厚度 2mm的鐵氧體薄片如圖 16所示，通過仿真計算添加鐵氧體前后兩種電感上端距離磁心表面1mm開始沿半徑往外20mm直線上泄漏磁場的磁通密度，如圖17所示。從圖可知，添加鐵氧體后泄漏磁場沒有發(fā)生明顯的改變，在磁心厚度為1m時差模電感顯著提高，從604μH變成2202μH。

圖16 添加鐵氧體的共模電感模型

圖17 添加鐵氧體后磁場泄漏的磁通密度

3 結(jié)論

本文借助有限元仿真軟件研究環(huán)形共模電感的近磁場泄漏，雖然不同的仿真模型得到的近磁場泄漏數(shù)值與本文存在差異，但是研究得到的結(jié)論和規(guī)律是相同的，具體包括如下。

1）共模電感兩種繞組方式的近磁場泄漏的空間分布和數(shù)值大小差異比較大，繞組并繞方式近磁場泄漏遠(yuǎn)小于繞組分開繞制的方式，在共模電感高頻特性滿足的情況下使用繞組并繞方式，能夠減少共模電感磁場泄漏對其他敏感器件的影響。

2）共模磁心磁導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)變化并不影響共模電感的近磁場泄漏，因此較高磁導(dǎo)率的共模磁心，減少繞組匝數(shù)，降低主功率電流激磁安匝引起的磁場泄漏。

3）共模電感繞組張角越小，泄漏磁場的最大值越小，但是泄漏磁場影響范圍擴(kuò)大，如果共模電感的缺口位置有敏感設(shè)備，就可以通過減小共模電感的繞組張角，降低二者之間的磁場耦合。

4）共模電感的泄漏磁通經(jīng)過空氣形成回路，磁心外徑越小，泄漏磁場的最大值越大。共模電感設(shè)計選用外徑較大的磁心不僅能夠減少繞組匝數(shù)，而且降低繞組損耗同時還能降低共模電感自身的近磁場泄漏。

5）在共模電感中插入鐵氧體薄片可以提高差模分量，并且不改變原來近磁場的泄漏。使用鐵氧體薄片代替角度調(diào)整改變差模分量的方式，對共模電感近磁場泄漏改善具有明顯效果。

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The Analysis of Near Magnetic Field Leakage of Toroidal Common Mode Inductance

Chen Kaibao Chen Wei
(College of Electrical Engineering and Automatic,Fuzhou University,Fuzhou 350108)

In order to solve the EMI problem caused by the power converter,the common approach is to use EMI filter.Toroidal common mode inductor as an important component in EMI filter，not only susceptible to external magnetic field interference,but also a major source of magnetic field leakage.In this paper,the distribution and change rule of the near field leakage of the toroidal common mode inductor are analyzed by means of the FEA software Maxwell Ansoft.The paper also analyzed the winding strategies ,permeability of core materials,winding angle,the outer diameter of the magnetic for the influence on common mode inductance near magnetic field leakage.The experimental results can be used to guide the design of common mode inductor and circuit layout.

common mode inductance;near magnetic field;magnetic leakage

陳開寶（1990-），男，福建三明人，碩士研究生，研究方向為電力電子高頻磁技術(shù)。