環(huán)形電感近磁場泄漏及其影響因素分析

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)形電感近磁場泄漏及其影響因素分析

陳開寶 陳 為

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率變換器得到越來越廣泛的運用，磁性元件是電力電子裝置中必不可少的器件，同時也是主要的近磁場泄漏源。磁性元件近磁場泄漏可能對電路性能造成嚴(yán)重的影響，本文以最常使用的環(huán)形電感為分析對象，通過有限元仿真軟件Ansoft Maxwell分析環(huán)形電感近磁場泄漏的磁場分布形式。同時分析環(huán)電感繞組疏密程度、磁心表面曲率、磁心材料磁導(dǎo)率以及端部引線方式等因素對近磁場泄漏的影響?？梢愿鶕?jù)研究結(jié)果指導(dǎo)環(huán)形磁性元件設(shè)計、布局，并為減少環(huán)形電感近磁場泄漏提供一些思路。

環(huán)形電感；近磁場；磁泄漏

功率變換器廣泛采用PWM控制，通過開關(guān)器件的高頻通斷對電能進行處理，其電壓、電流在時域上是不連續(xù)的，為了得到平滑的輸入、輸出、抑制電磁干擾和電氣隔離等需使用磁性元件。磁性元件在功率變換器中承擔(dān)著能量傳遞、存儲和濾波等功能[1]。磁性元件處于主功率回路，激磁電流是頻譜豐富的高幅值、快速變化的脈沖，在磁性元件周圍產(chǎn)生強烈的漏磁場[2]。隨著開關(guān)頻率提高，磁性元件上的電流高頻成分增多、基波平移，被干擾對象受到磁性元件近磁場泄漏的影響更加嚴(yán)重[3]。磁性元件的近磁場泄漏會造成很大的電磁耦合，對功率變換器的電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）有很大影響[4]?，F(xiàn)有的磁性元件參數(shù)包括電氣參數(shù)和熱參數(shù)，但是還沒有關(guān)于磁性元件近磁場泄漏的參數(shù)。

環(huán)形磁心由于制作工藝簡單，磁心中沒有氣隙，橫截面積相同以及輸出電流大、損耗小，因而得到廣泛的運用。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域環(huán)形磁心通常作為濾波電感以及EMI抑制的共模電感。本文以常見的環(huán)形濾波電感為對象，詳細(xì)分析其近磁場泄漏的場型分布，泄漏磁場數(shù)值大小，得出環(huán)形磁心的圓周面和上下面近磁場泄漏的數(shù)值大小，變化規(guī)律基本相同的結(jié)論，因此可以只研究圓周面的近磁場泄漏。并且分析了繞組的疏密程度、磁心材料磁導(dǎo)率、磁心的曲率以及兩種端部引線方式對環(huán)形電感近磁場泄漏的影響。

1 環(huán)形電感上下面和圓周面近磁場泄漏差異對比

環(huán)形磁心本身是旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，但是由于繞組繞向、繞組電流方向并非環(huán)繞對稱軸，因此環(huán)形電感產(chǎn)生的近磁場泄漏總體上可以分成上下面和圓周面兩個區(qū)域。環(huán)形電感的導(dǎo)線一側(cè)靠近磁心，另一側(cè)暴露在空氣中，繞組電流產(chǎn)生的磁通，大部分經(jīng)過磁心形成閉合回路，但是還有一部分磁力線通過空氣構(gòu)成閉合回路，這部分的磁場為泄漏磁場，環(huán)形電感的泄漏磁場如圖1所示，圓周面繞組電流產(chǎn)生的近磁場泄漏容易于通過二維的仿真得到，但是上下面繞組電流產(chǎn)生的近磁場泄漏難以由簡單的二維仿真表示。

圖1 環(huán)形電感近磁場泄漏示意圖

如果忽略上磁心下面繞組放射線分布、磁心圓周面是曲面這兩個因素，繞組上下面和圓周面的近磁場泄漏就應(yīng)該是相同的。為驗證該想法，在Ansoft Maxwell仿真軟件中構(gòu)建三維電感模型如圖2所示，具體參數(shù)見表1。根據(jù)距離繞組表面0.5mm泄漏磁場磁通密度的仿真結(jié)果（如圖3所示），可知在電感上下表面，導(dǎo)線位置磁場泄漏最嚴(yán)重。為了定量分析電感上下面和圓周面的泄漏磁場，分別在上表面繞組和圓周面繞組中心處往外做一條長20mm的直線Line1和Line2，如圖2所示，通過計算這條線段上的磁通密度進而分析和評估磁場泄漏的大小。從圖4的計算結(jié)果可知，上下面泄漏磁場的磁通密度變化和圓周面泄漏磁場的磁通密度數(shù)值大小、變化規(guī)律基本一樣，因此只要研究圓周面近磁場泄漏即可。

表1 三維仿真電感參數(shù)

2 環(huán)形電感近磁場泄漏分析

本文以深圳鉑科公司的NPS130060環(huán)形磁心為例，磁心參數(shù)見表2。磁心相對磁導(dǎo)率為60，繞組為62匝，0.9mm的漆包線被均勻繞制在磁心上，激勵電流設(shè)為1A（歸一化）。根據(jù)磁心的參數(shù)建立仿真模型如圖5所示。

圖2 三維電感仿真模型

圖3 電感上表面0.5mm泄漏磁場磁通密度分布圖

圖4 上下側(cè)和圓周側(cè)泄漏磁場隨距離變化曲線

表2 鉑科NPS130060磁心參數(shù)

圖5 環(huán)形電感二維仿真模型

仿真得到環(huán)形電感近磁場泄漏的磁力線分布，如圖6所示，由于環(huán)形磁心結(jié)構(gòu)對稱并且繞組均勻分布，因此環(huán)形電感近磁場泄漏的磁力線規(guī)律地分布在電感圓周范圍內(nèi)，整個泄漏磁場的磁力線呈“花朵”狀分布。環(huán)形電感泄漏磁場的磁通密度分布如圖7所示，靠近繞組的泄漏磁通密度最大，隨著與磁心距離的增加，磁通密度迅速下降。

圖6 環(huán)形電感近磁場泄漏磁力線分布

圖7 環(huán)形電感近磁場泄漏磁通密度分布圖

同之前處理方式，從繞組表面沿半徑方向朝外做一條20mm的直線Line3，如圖5所示。圖8是Line3線上每個位置泄漏磁場的磁通密度。從圖8可知，越靠近繞組位置泄漏磁場的磁通密度越大，但是隨著距離增加泄漏磁場迅速減少，在距離繞組表面2mm之后泄漏磁場的磁通密度已經(jīng)小于0.1μT。

圖8 泄漏磁場磁通密度隨距離變化曲線

3 環(huán)形電感近磁場泄漏影響因素分析

3.1 磁心材料磁導(dǎo)率對近磁場泄漏的影響

環(huán)形電感磁心材料一般為金屬粉芯，其相對磁導(dǎo)率變化范圍較大，磁心材料的磁導(dǎo)率可能對環(huán)形電感近磁場泄漏造成影響。以圖5的仿真模型為例，根據(jù)鉑科公司環(huán)形磁心的磁導(dǎo)率，設(shè)置模型磁心的相對磁導(dǎo)率為26、40、60、75、90、125六種，在相同繞組布置方式、1A激勵電流進行仿真。仿真后計算從繞組表面沿半徑朝外20mm的直線Line3上泄漏磁場的磁通密度，其結(jié)果如圖9所示。圖9中6種磁心磁導(dǎo)率的泄漏磁場變化曲線基本重合在一起，說明磁心的磁導(dǎo)率對環(huán)形磁心的近磁場影響很小，這是因為磁心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，即使磁導(dǎo)率發(fā)生一些變化也不影響磁場的泄漏。

圖9 環(huán)形電感不同磁導(dǎo)率對近磁場泄漏的影響

3.2 繞組疏密程度對近磁場泄漏的影響

不同的電氣參數(shù)設(shè)計，電感繞組匝數(shù)不同，繞組間距也不同。環(huán)形電感空間某個位置泄漏磁場由附近多匝繞組的泄漏磁場共同決定，因此繞組的疏密對近磁場的泄漏有一定的影響。仿真相同磁心（NPS130060）、相同的電流激勵（1A），不同的繞組匝數(shù)（分別是N=30、N=40、N=62、N=115）的近磁場泄漏，這4種繞組結(jié)構(gòu)如圖10所示。仿真后，同樣從繞組表面沿半徑方向朝外做一條20mm長的直線，計算這條線上泄漏磁場磁的通密度變化。從圖11的計算結(jié)果可知靠近繞組位置繞組越密磁場泄漏較小，但是在遠(yuǎn)離電感位置繞組越密，泄漏磁場的磁通密度越大（如果計算距離足夠長，N=115的電感泄漏磁場在距離磁心較遠(yuǎn)區(qū)域?qū)笥谄渌?種方案）。因此，可以通過使用大一號的磁心或者多個磁心并聯(lián)的方式減少繞組匝數(shù)，減少繞組密度，降低遠(yuǎn)離電感位置的泄漏磁場。

圖10 NPS130060磁心不同繞組匝數(shù)仿真模型

圖11 NPS130060磁心在不同繞組匝數(shù)近磁場泄漏

3.3 磁心表面曲率對近磁場泄漏的影響

與環(huán)形電感繞組疏密會影響電感近磁場泄漏一樣，環(huán)形磁心外表面的曲率也會影響近磁場泄漏，本文以鉑科公司磁導(dǎo)率為60的NPS材料、不同磁心尺寸為例（具體型號、參數(shù)、繞組匝數(shù)見表3），研究磁心曲率對環(huán)形電感近磁場泄漏的影響。為了減少繞組疏密不同對結(jié)果的影響，4種型號的磁心繞組匝數(shù)不同，保證繞組疏密基本相同，并設(shè)置繞組激勵電流均為1A。具體仿真模型如圖12所示。

表3 NPSXXX060系列磁心

為了定量分析4種不同曲率環(huán)形電感近磁場泄漏，從繞組表面沿磁心半徑方向往外做一條20mm長的直線（處理方式如圖5所示），計算直線上每個位置的磁通密度，其結(jié)果如圖13所示。由圖可知當(dāng)距離繞組0.04mm之后4條曲線基本重合在一起，因此在繞組間距相同的情況下，磁心的表面的曲率對近磁場泄漏影響很小。

圖12 NPSxxx060磁心仿真模型

圖13 NPSxxx0060系列磁心不同距離磁通密度

3.4 環(huán)形電感端部引線處理方式對近磁場泄漏的影響

環(huán)形電感繞組從起點開始沿著固定的方向繞制，到達一定匝數(shù)后引出線，理想端部引線是兩條導(dǎo)線緊靠在一起，如圖14所示。通常為了安裝的穩(wěn)定性以及引線方便，常見的環(huán)形電感端部引線處有兩種方式，如圖15和圖16所示。

圖14 環(huán)形電感理想端部引線

圖15 環(huán)形電感端部引線方式一

圖16 環(huán)形電感端部引線方式二

圖15 所示的引線方式一適用于PCB面積較小的情況，電感垂直安裝，這種引線方式在電感的外圍少了一匝繞組，圖中虛線位置；圖16所示的引線方式二適用于對高度有要求的場合，電感水平安裝，多了一匝返回到對稱側(cè)的繞組，電感兩個引線位置各多了一匝繞組，根據(jù)實際的繞組繞向，左右兩側(cè)引線處多一匝繞組的電流方向是相反的。

以圖5的仿真模型為例（NPS130060磁心、62匝繞組、1A激磁電流，具體參數(shù)見表2），仿真分析環(huán)形電感端部引線為方式一的泄漏磁場磁力線分布如圖17所示。從圖中可知，少一匝繞組的位置成了主要磁場泄漏源，泄漏磁場的磁力線分布是以這一匝繞組為圓心的同心圓。根據(jù)泄漏磁場磁通密度分布圖（如圖18所示），在少一匝繞組區(qū)域的泄漏磁場的磁通遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。為了定量分析泄漏磁場，從少一匝繞組表面沿著磁心半徑方向往外做一條長度為20mm的直線Line4，如圖17所示，計算直線上各點磁通密度的變化，并將計算結(jié)果與圖5理想引線方式的泄漏磁場對比。根據(jù)對比結(jié)果，如圖19所示，在計算范圍內(nèi)繞組少一匝的磁場泄漏值遠(yuǎn)大于理想引線情況。但是端部引線方式一的環(huán)形電感垂直安裝在PCB上，泄漏磁場最大區(qū)域是垂直PCB向下，這個區(qū)域內(nèi)一般較少有敏感器件，一定程度上減少電感近磁場泄漏的影響。

圖17 端部引線方式一的泄漏磁場磁力線

圖18 端部引線方式一近泄漏磁場磁通密度分布

圖19 端部引線方式一和理想情況泄漏磁場比較

端部引線方式二電感外側(cè)多了兩匝繞組，并且這兩匝繞組的電流方向不同，其中一匝和其他繞組電流方向相同，另一匝相反。以圖5的仿真模型為例（NPS130060磁心、62匝繞組、1A激磁電流，具體參數(shù)見表2），仿真得到端部引線為方式二泄漏磁場的磁力線分布如圖20所示。電流方向相反的這匝繞組成為主要磁場泄漏源，泄漏磁場的磁力線基本是以這匝繞組為圓心向外擴散。根據(jù)圖21所示泄漏磁場的磁通密度分布圖，電流方向相反的這匝繞組附近區(qū)域泄漏磁場的磁通密度遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，并且整個電感泄漏磁場影響區(qū)域更大。在電感上從多一匝繞組表面沿磁心半徑向外做一條20mm長的直線Line5（如圖20所示），計算直線上每個點泄漏磁場的磁通密度并將計算結(jié)果與圖5理想引線方式的泄漏磁場對比。根據(jù)圖22所示的比較結(jié)果，測量范圍內(nèi)端部引線方式二的磁場泄漏都大于理想繞組情況。

圖20 端部引線方式二泄漏磁場磁力線分布圖

圖21 端部引線方式二泄漏磁場磁通密度

圖22 不同為位置近磁場泄漏隨距離變化曲線

電感兩種端部引線方式都會增加泄漏磁場的數(shù)值大小，擴大泄漏磁場的影響范圍。端部引線方式一，磁心垂直固定安裝方式，電感正下方的磁場泄漏最為嚴(yán)重。端部引線方式二常見于磁心水平安裝的電路板上，這種引線方式在較大的范圍內(nèi)都有較嚴(yán)重的磁場泄漏因此在敏感設(shè)備離電感較近的情況下應(yīng)避免使用這種引線方式。

4 結(jié)論

本文以環(huán)形電感的近磁場泄漏為研究對象，借助有限元仿真軟件Ansoft Maxwell分析了環(huán)形電感的泄漏磁場，得出結(jié)論如下：

1）環(huán)形電感的近磁性泄漏分布可以分成上下面和圓周面兩部分，上下面的磁場泄漏和圓周面的磁場泄漏的分布規(guī)律、數(shù)值大小基本相同。

2）環(huán)形電感磁心材料的磁導(dǎo)率比空氣大得多，磁心材料的磁導(dǎo)率改變并不會對電感近磁場泄漏造成的影響。

3）環(huán)形電感繞組的疏密不同對近磁場泄漏有影響，繞組越密在靠近繞組位置泄漏磁場小于繞組稀疏的情況，但是在遠(yuǎn)離電感位置，繞組越密，泄漏磁場越嚴(yán)重。

4）環(huán)形電感表面的曲率并不會對電感近磁場泄漏造成影響。

5）環(huán)形電感兩種端部引線方式都會使電感近磁場泄漏更加嚴(yán)重的，但是第二種引線方式的磁場泄漏范圍、泄漏磁場強度都大于第一種引線方式。

[1] 陳為, 何建農(nóng). 電力電子高頻磁技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]. 電工電能新技術(shù), 2000, 19(2): 30-34.

[2] 張曉光, 和軍平, 孫力, 等. Flyback開關(guān)電源近場磁輻射預(yù)測與抑制[J]. 電機與控制學(xué)報, 2010, 14(10): 21-25, 31.

[3] 黃華高. Boost變流器傳導(dǎo)電磁干擾的近場耦合模型[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2011, 45(11).

[4] Aouine O, Labarre C, Costa F. Measurement and modeling of the magnetic near field radiated by a buck chopper[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Ompatibility, 2008, 50(2): 445-449.

[5] Koroglu S, Adam A A, Umurkan N, et al. Leakage magnetic flux density in the vicinity of induction motor during operation[J]. Electrical Engineering, 2009, 91(1): 15-21.

[6] Ren Y, Hu C, Xiang S, et al. Magnetic dipole model in the near-field[C]//Information and Automation, 2015 IEEE International Conference on, 2015: 1085-1089.

[7] Wang R, Blanchette H F, Mu M, et al. Influence of High-Frequency Near-Field oupling between magnetic components on EMI filter esign[J]. IEEE Transactions on Power lectronics, 2013, 28(10): 4568-4579.

[8] Wei C, Limin F, Henlin C, et al. Near Field Coupling Effects on Conducted EMI in Power Converter[C]// Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC'06. 37th IEEE, 2006: 1-6.

[9] 陳恒林, 錢照明, Zeng Zhaohui, 等. 布局對EMI濾波器性能影響的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2008, 23(8): 7-12, 35.

[10] 姬海寧, 蘭中文, 余忠, 等. 開關(guān)電源變壓器磁芯磁場與漏磁場的3D仿真研究[J]. 低壓電器, 2006(10): 6-7, 11.

[11] 蔣毅. 變壓器周圍空間電磁場的分布[J]. 嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報, 2013, 31(11): 30-35.

[12] 徐海寧. 電力變壓器漏磁場及箱體渦流損耗的分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2011: 572-577.

The Analysis of Toroidal Inductor’s Near Magnetic Field Leakage and Its Influence Factors

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

With the development of power electronic technology, power converters get more and more widely used, magnetic components are essential devices in power electronic devices, but also the main source of near magnetic field leakage. The near magnetic field leakage of the magnetic components caused serious impact on the performance of the circuit，In this paper, the most commonly used toroidal inductor’ near magnetic field leakage is analyzed by Ansoft Maxwell software. The effect of winding density, surface curvature of the magnetic core, core materials of permeability and end leads on near magnetic field leakage are analyzed. The results of the research, which can guide the design and layout of toroidal inductor, and provide some ideas for reducing the leakage of near magnetic field.

toroidal inductor; near magnetic field; magnetic leakage

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