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升壓電感中的磁芯氣隙仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
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升壓電感中的磁芯氣隙仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2025-03-07 11:20:03 來源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:周正國(guó) 李洪波 點(diǎn)擊:1631

隨著新能源汽車向高壓化,電池的大容量化發(fā)展,廣泛應(yīng)用了升壓電感。在升壓電感磁芯氣隙設(shè)計(jì)過程中,經(jīng)常會(huì)遇到大氣隙分段設(shè)置的問題。氣隙設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致線圈交流損耗變大,引起局部過熱,影響升壓電感使用壽命和整機(jī)效率。

單個(gè)氣隙開多大,氣隙如何分段,氣隙位置放在哪里效果最佳,這些問題一直困擾升壓電感開發(fā)工程師。針對(duì)此問題,我們采用AnsysMaxwell仿真軟件對(duì)升壓電感實(shí)際應(yīng)用的大功率電感進(jìn)行了多方面的分析計(jì)算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了研究總結(jié),結(jié)合仿真軟件應(yīng)注意哪些要點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)優(yōu)化?,F(xiàn)整理成報(bào)告分享給大家。

以下PFC的工作原理圖。其中升壓電感L就是本文的研究對(duì)象。

PFC工作原理

其工作原理主要是基于電磁感應(yīng)和電感儲(chǔ)能特性。開關(guān)導(dǎo)通時(shí),電感儲(chǔ)能,電流漸升;開關(guān)關(guān)斷,電感產(chǎn)生反向高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),與電源電壓疊加,實(shí)現(xiàn)升壓,再經(jīng)電容濾波儲(chǔ)能,為負(fù)載提供穩(wěn)定的高于電源的輸出電壓,從而完成升壓過程。升壓電感在純電動(dòng)車和混合動(dòng)力車種都發(fā)揮著重要作用,是新能源汽車中不可或缺的組件。

本文已在中國(guó)第11屆功率變換器磁性元器件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)中發(fā)表。旨在探討電動(dòng)汽車用升壓電感的磁芯氣隙設(shè)計(jì)及其仿真優(yōu)化,分析氣隙大小、分布對(duì)電感性能的影響,并提出合理的設(shè)計(jì)建議,以期為電動(dòng)汽車電感器的設(shè)計(jì)工程師提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

01 GAP(磁芯氣隙)與d(線圈到磁芯間距)關(guān)系

在電感器設(shè)計(jì)中,GAP(氣隙)和d(線圈到磁芯間距)是兩個(gè)重要的參數(shù),它們之間的關(guān)系可以從磁場(chǎng)和電感量的計(jì)算角度來理解。

GAP與d的關(guān)系

氣隙(GAP)是磁芯中主要用于調(diào)節(jié)磁芯的磁導(dǎo)率和飽和特性。氣隙的大小會(huì)影響磁芯的ACR和感量。氣隙越大,ACR越大,感量越小。

線圈到磁芯的間距d 主要影響磁力線切割線圈面積的大小,被切割的面積越大,線圈通過的電流就越小,線圈的溫升就越高,直至燒機(jī)、炸機(jī)。

氣隙(GAP)主要是為了增加磁芯內(nèi)部的磁阻,使電感量減小,但較大的氣隙(GAP)會(huì)讓磁力線對(duì)線圈的切割變得嚴(yán)重,渦流損耗增大;而較大的線圈到磁芯間距d則會(huì)減弱磁力線對(duì)線圈的切割影響,降低渦流損耗。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要在氣隙和線圈到磁芯間距之間找到平衡。氣隙(GAP)過大會(huì)導(dǎo)致線圈渦流損耗增加,影響升壓電感的傳遞效率;線圈到磁芯間距d過大則會(huì)增大體積,增加成本,d過小則線圈會(huì)被磁力線切割到。

下面是相同的線圈到磁芯的間距d=1.8mm,研究GAP的大小仿真結(jié)果案例:

仿真結(jié)果

氣隙大小仿真結(jié)果

GAP值對(duì)線圈性能的影響

不同氣隙值對(duì)線圈性能的影響

為了更深入地了解氣隙對(duì)線圈性能的影響,通過進(jìn)一步地分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣隙等于d的三分之一時(shí)較為理想,此時(shí)氣隙位置的線圈內(nèi)壁磁通密度漏磁處最低,可降至0.02T。

02 升壓電感磁芯氣隙如何分段

磁芯氣隙分段通過將單一氣隙分割為多個(gè)小氣隙,旨在降低漏磁、減少渦流效應(yīng)、提高熱穩(wěn)定性、精確控制電感量、降低損耗,并滿足小型化和高性能需求。

氣隙分段原則為一是單個(gè)GAP大小不宜超過線圈到磁芯間距d的1/2(一般取單個(gè)GAP≈d/3);二是氣隙在線圈內(nèi)部均勻分布,即氣隙大小一致,間隔一致。

升壓電感氣隙如何分段?

本文分享200A 升壓電感為例,分析不同的氣隙方案對(duì)電感線圈損耗的影響:

可立克的實(shí)際應(yīng)用案例:電流為200A,電感為120μH,紋波峰峰值為80A。在設(shè)計(jì)過程中,選用了NPV材料作為鐵芯,并通過計(jì)算確定最終匝數(shù)為37匝。

在設(shè)計(jì)中,重點(diǎn)研究了氣隙的布置對(duì)損耗的影響。具體而言,分別對(duì)一個(gè)氣隙、兩個(gè)氣隙、三個(gè)氣隙、四個(gè)氣隙和五個(gè)氣隙的情況進(jìn)行了分析,主要關(guān)注磁芯損耗、線圈損耗以及ACR(交流電阻)。

通過多次仿真發(fā)現(xiàn),隨著氣隙數(shù)量的增加,損耗逐漸降低。當(dāng)氣隙數(shù)量達(dá)到五個(gè)時(shí),系統(tǒng)的損耗達(dá)到最低值。這一結(jié)果為升壓電感的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

仿真過程1

隨后,可立克團(tuán)隊(duì)開展了更為深入的氣隙分段研究。當(dāng)分別將氣隙設(shè)置為 6 個(gè)氣隙、8 個(gè)氣隙、10 個(gè)氣隙時(shí),交流損耗并未出現(xiàn)顯著降低。由此可以得出結(jié)論:就生產(chǎn)需求及成本控制而言,設(shè)置 5 個(gè)氣隙即可滿足要求。

仿真過程2

值得一提的是,對(duì)于變壓器和電感設(shè)計(jì)而言,ACR是一個(gè)非常重要的參數(shù),ACR 是指電感器在交流電路中表現(xiàn)出的電阻特性。理論上電感的損耗不僅直流電阻DCR帶來的直流損耗,重點(diǎn)還有ACR交流阻抗的損耗,包含導(dǎo)致磁芯產(chǎn)生渦流損耗、因趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等產(chǎn)生的損耗,這些共同構(gòu)成了交流電抗ACR的損耗。

03 如何設(shè)置最佳氣隙位置

如前文所述,5個(gè)氣隙是較為理想的配置,但5個(gè)氣隙在哪個(gè)位置,需要進(jìn)一步地研究。

第一個(gè)圖是把磁芯做成U形的,第二個(gè)圖在U型磁芯的基礎(chǔ)上加了5毫米的轉(zhuǎn)折;第三、第四、第五個(gè)磁芯分別在增加了10毫米、15毫米、20毫米的轉(zhuǎn)折。

仿真過程3

氣隙最佳位置實(shí)驗(yàn)過程

經(jīng)反復(fù)探究,發(fā)現(xiàn)U型轉(zhuǎn)折尺寸為24毫米時(shí)損耗達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)?;诖?,對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié),梳理出氣隙分段的段數(shù)、最優(yōu)氣隙大小與 ACR 值之間的關(guān)系。

仿真過程4

氣隙與U型轉(zhuǎn)折尺寸的關(guān)系

仿真過程5

氣隙位置對(duì)于線圈損耗影響很大。

氣隙位置設(shè)置合理分布均勻,不合理的氣隙位置,或者分布不均勻都將導(dǎo)致線圈損耗變大 。以下是氣隙大小和氣隙數(shù)量一樣,但氣隙位置各有不同所對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。   

仿真過程6

氣隙不同位置仿真結(jié)果

研究結(jié)果表明,向內(nèi)伸進(jìn) 24毫米時(shí),且擺放位置均勻,見下圖,效果最佳。同時(shí),擺放方式對(duì)結(jié)果影響顯著,如圖所示,氣隙位置等于24毫米時(shí),也就是GAP等于0.5mm*5個(gè),ACR最小。

最佳氣隙位置

最佳氣隙位置

理想的氣隙位置是以各氣隙中心為分段線,每一段的磁阻與線圈安匝數(shù)成比例關(guān)系,而磁環(huán)電感最容易滿足這種理想的比例關(guān)系。

均勻段相關(guān)計(jì)算

等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算:均勻段等效磁路長(zhǎng)度Le = 10.625 + 0.5 * 33.5 = 27.375mm ,其中33.5為帶電流疊加后的磁芯磁導(dǎo)率。

匝數(shù)及對(duì)應(yīng)比值:對(duì)應(yīng)線圈包圍磁芯的匝數(shù)是 5 匝,等效磁路長(zhǎng)度與匝數(shù)的比值為27.375/5 = 5.475 。

串聯(lián)段相關(guān)計(jì)算

等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算:串聯(lián)段等效磁路長(zhǎng)度Le = 90 + 0.5 * 33.5 = 106.75mm ,磁導(dǎo)率同樣為 33.5。因?yàn)榇硕未怕仿┐泡^大,磁阻會(huì)變小,Le按106.75 * 0.9系數(shù)計(jì)算約為 96 。

匝數(shù)及對(duì)應(yīng)比值:對(duì)應(yīng)線圈包圍磁芯的匝數(shù)是8.5 * 2 = 17匝,等效磁路長(zhǎng)度與匝數(shù)的比值為96/17 = 5.647 。

均勻段與串聯(lián)段基本滿足等比關(guān)系,這對(duì)于確定最佳氣隙位置具有重要參考意義。

04鋁殼對(duì)電感和損耗的影響

鋁殼

在對(duì)線圈進(jìn)行灌膠并加裝外殼之后,通過仿真分析,我們觀察到線圈的損耗有所下降,然而,外殼本身產(chǎn)生了3.5瓦的額外損耗。

也就是說產(chǎn)品帶鋁殼(灌封用)后,會(huì)產(chǎn)生渦流屏蔽漏磁場(chǎng),導(dǎo)致漏磁磁阻增大,電感會(huì)下降,同時(shí)鋁殼會(huì)產(chǎn)生渦流損耗,由于漏磁一般含量較少,所以總體影響不大。

合理的氣息設(shè)計(jì)需滿足以下條件:

1、單個(gè)氣隙(GAP)應(yīng)小于線圈到磁芯的距離(d)的一半,一般取GAP約為d的三分之一。

2、多段氣隙應(yīng)在線圈內(nèi)部均勻布置,分段越多,線圈損耗越小。(當(dāng)GAP小于d的一半時(shí),繼續(xù)多分段減小氣隙對(duì)于改善線圈損耗效果不明顯)

3、確定理想的氣隙位置:以各氣隙中心為分段線,每一段的磁阻與線圈安匝數(shù)成等比例關(guān)系。

4、電感帶鋁殼(灌封)時(shí)電感會(huì)下降,同時(shí)鋁殼會(huì)產(chǎn)生渦流損耗,但總體影響不大。

以上結(jié)論只針對(duì)金屬粉心(磁導(dǎo)率120以下的磁芯)類電感,其他電感可做參考。

結(jié)語(yǔ)

通過仿真研究,我們對(duì)電動(dòng)汽車用升壓電感的磁芯氣隙設(shè)計(jì)有了更深入的理解。合理的氣隙設(shè)計(jì)不僅能優(yōu)化電感性能,降低損耗,還能提高電動(dòng)汽車的整體能效。未來的研究可以進(jìn)一步探索不同材料和結(jié)構(gòu)對(duì)電感性能的影響,以及如何結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行更精細(xì)化的設(shè)計(jì)。

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章,未經(jīng)允許和授權(quán),不得轉(zhuǎn)載,否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任;

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