气隙磁芯电感
气隙磁芯电感(赵修科)
气隙的边缘磁通
磁没有绝缘，空气隙周围空间也是磁路的一部分 －边缘磁通。气隙越大，边缘磁通范围越大。 边缘磁通与气隙磁通并联， 论坛 om 器 t.c 在线圈包围的磁芯中磁通增 bi 压 变 g子 bi 加，总磁链ψ增加，电感量 电 s. 特 bb 加大。 比 // 大 p: tt h
维持电感量措施
直流滤波电感设计要点
直流滤波电感量(Buck) 式中：
反激连续模式，不仅考虑直流，也要考虑交流邻近效 应损耗。 断续模式按损耗100mW/cm3(自冷）选取磁通密度，既 要考虑线圈损耗，也要考虑磁芯损耗。
坛 m U 器论 o +o U R =U cΔ t. 压 bi ' Dmin = U o 子U i max / 变 ig 电 s.b 特 bb 参数选取：市售功率磁芯 B ≤ 0.9 Bs100 比 // 大 p: 损耗：主要是铜损：直流滤波电感只考虑直流损耗； tt h
气隙磁芯电感 坛
论 com 器 t. 压 bi 南京航空航天大学 变 g子 bi 电 赵修科 s. 特 bb 比 // 大 jops@ p: tt h
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电感定义
坛 m i 器论 .co ψ 是线圈主磁链与散磁链总和, bit 压 变 g子 bi 不存在‘漏磁’。 电 s. 特 bb 比 // 如果是环形闭合磁路磁芯 大 p: ψ NBA t ht = N 2 μ0 μr A L= = i Hl / N l
电感能量
电流产生磁场，即建立磁场能量（环形为例）
VBH LI Wm = ∫ AlHdB = V ∫ HdB = 坛 = 0 0 论 2com 2 器 t. 压 bi 环形气隙磁场能量子变 ig电 B 2s.b 2 Vc B比特Vδ bb Wm = 大 +:// 2 μ0 μttp 2 μ0 hr
气隙与漏感的关系
气隙与漏感的关系磁芯饱和就相当于变压器的一次侧是个空心线圈（相当于短路），它的电流会很大，一直上升到烧坏变压器或者保险管为止。
磁芯气隙是磁芯空气间隙的简称，一般铁氧体，和硅钢的磁芯都不是一个整体的闭合体，是由E字体对接的对接口处有意无意留下的间隙就是磁芯气隙，所以人们不需要磁芯气隙时可以采用环型变压器，用到磁芯气隙时就故意加大对接的缺口，或在缺口处垫非导磁材料，如高温纸。
高频变压器才开气隙，是为了防止铁芯磁饱合，因为UPS中有高次诣波，所以要开气隙，但变压器开气隙的原理和电感是不一样的。
变压器都是硅钢片拼成的，两个对着的硅钢片之间的间隙叫气隙。
气隙大了当然磁阻就大了。
变压器留气隙是为了防止在工作中产生磁饱和！气隙是在铁芯交合处留的缝隙!和绕线无关。
有了气隙的确是增加了磁阻，但却是有益的！气隙的作用是减小磁导率，使线涠特性较少地依赖于磁芯材料的起始磁导率。
气隙可以避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象，更好地控制电感量。
然而，在气隙降低磁导率的情况下要求线圈圈数较多，相关的铜损也增加，所以需要适当的折中。
一般反激式电源，在气隙较小时，气隙越小，功率越小，气隙越大，功率越大，一般气隙能调到满足最大输出功率即可当然任何条件下不能进入饱和区即输入电流不能出现上冲现象。
在磨气隙时可用一小条水沙纸(加水磨速度较快较平)，底下垫玻璃,要气隙大就磨中间，想减小点气隙就磨两边。
反激电源变压器漏感是一个非常关键的参数，由于反激电源需要变压器储存能量，要使变压器铁芯得到充分利用，一般都要在磁路中开气隙，其目的是改变铁芯磁滞回线的斜率，使变压器能够承受大的脉冲电流冲击，而不至于铁芯进入饱和非线形状态，磁路中气隙处于高磁阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。
变压器初次极间的耦合，也是确定漏感的关键因素，要尽量使初次极线圈靠近，可采用三明治绕法，但这样会使变压器分布电容增大。
选用铁芯尽量用窗口比较长的磁芯，可减小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。
变气隙厚度电感式传感器的工作原理
变气隙厚度电感式传感器的工作原理变气隙厚度电感式传感器是一种用于测量物体间距离的传感器，它利用变化的磁场来检测物体的位置。
该传感器的工作原理是基于磁感应定律和电感的原理。
在传感器中，有一个线圈被称为感应线圈，它由绝缘导线绕成。
当电流通过感应线圈时，会产生一个磁场。
当有一个金属物体靠近感应线圈时，金属物体会改变感应线圈周围的磁场。
当金属物体靠近感应线圈时，磁场的强度会增加。
这是因为金属物体对磁场的导磁性比周围空气要高，所以金属物体会吸引磁场线，使得磁场线更加集中。
这种增加的磁场会导致感应线圈中的感应电流发生变化。
感应电流的变化会导致感应线圈中的电感发生变化。
根据电感的定义，电感是导线中感应电流变化率与其产生的磁场的关系。
因此，当金属物体靠近感应线圈时，感应线圈中的电感会随之变化。
通过测量感应线圈中的电感变化，可以确定金属物体与感应线圈之间的距离。
当金属物体离开感应线圈时，磁场的强度减小，感应线圈中的电感恢复到初始状态。
为了实现精确测量，变气隙厚度电感式传感器通常由多个感应线圈组成，以提高灵敏度和测量范围。
这些感应线圈被安置在传感器的不同位置，以便能够检测物体的位置变化。
变气隙厚度电感式传感器的工作原理可以应用于多个领域。
例如，在工业领域中，可以使用该传感器来测量金属板的厚度或检测物体的位置。
在汽车领域中，可以使用该传感器来测量车辆制动器的磨损程度或检测车辆的停车距离。
变气隙厚度电感式传感器通过测量感应线圈中的电感变化来确定物体的位置。
它利用磁感应定律和电感的原理，具有精确测量和广泛应用的特点。
通过不断改进传感器的设计和技术，可以进一步提高其性能和应用范围。
变气隙式电感传感器工作原理
变气隙式电感传感器工作原理
变气隙式电感传感器是一种基于电感的传感器，其工作原理如下：
1. 传感器结构：变气隙式电感传感器由一个线圈和一个可调节的气隙组成。
线圈通常以螺型或螺旋形式绕制在芯体上，而气隙是通过调节两个磁芯之间的距离来实现的。
2. 飞行时间测量原理：当传感器中的电流发生变化时，会在线圈周围产生一个磁场。
磁场会通过磁芯和气隙传播出去，形成一个电磁波。
当电磁波到达目标物体时，一部分能量会被目标物体吸收，而一部分能量会返回到传感器。
3. 目标物体的反射：目标物体会反射一部分电磁波回到传感器。
返回的电磁波与传感器中的原始电磁波之间存在一个相位差。
变气隙式电感传感器通过测量相位差来确定目标物体的位置或距离。
4. 相位差的测量：传感器使用一个相位检测电路来测量原始电磁波和反射电磁波之间的相位差。
根据相位差的大小，可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
总结：变气隙式电感传感器通过测量原始电磁波与反射电磁波之间的相位差来确定目标物体的位置或距离。
这种传感器广泛应用于自动化控制、机器人、测距仪等领域。
反激变压器电感量及气隙的影响
单端反激架构是电源界应用的最为广泛的一种电源架构，主要是应用于150W以下功率范围的隔离电源中。因其外围器件少，电路简单等优点，而广泛被应用。
单端反激按照工作模式可以分为，不连续模式，临界模式以及连续模式，下面就将分别对这几种模式的变压器设计加以讨论，主要是讨论电感量以及气隙对对变压器的影响。
在同样电感量的情况下，在增加匝数的情况下，需要增加气隙，这才能有效防止饱和。
在同样匝数的情况下，电感量越小，电流峰峰值越大。
在IC如果采用电流模式时，较小的电感值也能有效防止磁通饱和。
我们可以知道：
可以得出：
又因为： ，我们可以得出：
当 时，
而由于
我们可以知道 ， ，可以得出：
我们可以得出，在同样初级匝数的情况下，磁通量正比于电感量的开方值。
二、CCM模式
在CCM模式下，同样能够将剩磁降低，这也有助于防止磁芯饱和。
由得 ， ，
其中：
的单位为磁芯面积（ ）
为磁通密度，单位为（特斯拉：T,备注： ）
所以有：
所以可以推出：
另外一个推导公式：（
,可以得出：
（ ）
进一步可以得出：
，前一项是磁芯储能，后一项是气隙储能。
）
在正激类变压器中，增加气隙能够将剩磁降低，这也有助于防止磁芯饱和。
同样，在控制IC为电流控制模式的时候， 在电感量较小的时候比较大，所以可以有效防止饱和。
推导如下：
由DCM模式：
我们知道：
(1-3)
一个周期T内提供的能量为：
（1-4）
由于 ,带入式（1-5）得到：
（1-6）
从式（1-3）我们知道如果加气隙之后，磁导率降低（备注： ,如果 ，则相对磁导率为： ， 为有效磁导率， 为磁路长度， 为气隙长度，其中也就是说有效磁导率降低了，推导见《开关电源中的磁性元件》P44，另外一个公式lc/μc+ lg/μo=N2Ae / L），随着气隙增大，电感量Lp减小（由公式我们知道： ，推导过程见《开关电源中的磁性元件》P33，上式中，B为磁通密度，A为磁芯截面积，l为磁路长度，H为磁场强度。）在输入功率、电压、周期T不变的情况下，则dt必然减小。
开关变压器磁芯气隙的选取
根据变压器的额定电压选取
总结词
额定电压越高，所需气隙越大。
详细描述
在高压应用中，为了防止磁芯饱和，需要适当增加气隙。气隙的大小应确保在最 大工作电压下，磁芯不会进入饱和状态。
根据变压器的额定电流选取
总结词
额定电流越大，所需气隙越小。
详细描述
电流越大，磁芯中的磁通密度越高，为了防止磁芯过热和磁饱和，需要减小气隙以减小励磁电感和磁通密度。
总结词：中等气隙
详细描述：对于100kHz的开关变压器，由于频率有所提高，磁芯的磁通密度相应增大，因此需要选择中等大小的气隙，通常 在0.5mm至1mm之间。中等的气隙可以在减小磁阻和提高效率之间取得平衡。
实例三：200kHz开关变压器的气隙选取
总结词：较大气隙
详细描述：对于200kHz及以上的开关变压器，由于频率较高，磁芯的磁通密度较大，因此需要选择 较大的气隙，通常在1mm至2mm之间。较大的气隙可以减小磁芯的磁饱和现象，提高变压器的可靠 性。
适用范围
适用于研发阶段，对未知气隙值进 行探索和优化。
经验法
根据经验数据
适用范围
根据以往的设计经验，对于特定类型 的磁芯和用途，选取合适的气隙值。
适用于成熟产品设计和生产过程中， 对气隙值的快速选取。
考虑因素
经验法依赖于过往的设计经验和实际 运行效果，可能无法适应新的应用场 景和变化的工作条件。
04
作用
气隙的主要作用是调节磁通量和 磁路磁阻，从而影响变压器的性 能。
气隙对开关变压器性能的影响
01
02
03
磁通量调节
通过改变气隙大小，可以 调节磁通量的大小，进而 影响变压器的输出电压和 电流。
磁路磁阻
变压器气隙
变压器气隙作者:日期:变压器气隙电感是开关电源中重要的元件之一，其合理设计有利于提高电源效率和可靠性。
为防止电感饱和，需要在磁芯中加入气隙。
铁粉芯的气隙均匀分布在磁芯中。
如果采用高导磁材料来绕制电感，传统的做法是采用集中气隙。
为了减少由气隙附近的扩散磁通引起的绕组损耗，绕组布置需避开气隙3个左右的气隙长度。
然而对于较大的气隙，那样做将使磁芯窗口的利用率大大降低，此时可应用多个小气隙来构成分布气隙。
文献［1］提出利用交错气隙以减少旁路磁通，从而减少绕组损耗。
前人的研究成果对电感设计具有指导意义，但对某些方面没有进行详细研究，特别是多气隙中各小气隙之间磁柱的长度对扩散磁通的影响，气隙布置在磁芯拐角附近对扩散磁通的影响，以及分布气隙的个数如何选择等。
近年来，电磁场有限元分析软件得到广泛的应用，分析结果的正确性得到了大量的证实［2 : 0本文在前人研究的基础上，利用电磁场有限元软件对上述问题进行详细的研究。
?2气隙在磁芯柱上不同位置对绕组损耗的影响？根据文献［1］的分析,在电感中的磁通可分成以下三个部分（如图1所示）:（1）在磁芯中构成回路的主磁通；（2 ）气隙附近进入磁芯窗口的扩散磁通；（3）穿越磁柱之间窗口内的旁路磁通。
图L电«中的5^通仔布（对称半刚磁芯）（町潦包践塩组*〔3擠拮绕组由于主磁通未深入磁芯窗口内，故它不会在绕组上感应出涡流。
扩散磁通则会在气隙附近的绕组上感应出涡流。
旁路磁通穿越磁柱间的磁芯窗口，将在绕组上感应出涡流。
气隙在磁芯柱上的不同位置对磁芯窗口内的扩散磁通和旁路磁通都可能产生影响。
对绕组由漆包线构成的电感，气隙在磁芯柱上不同位置对磁芯窗口内旁路磁通的影响在文献［1］中已有详细分析。
本节主要分析对扩散磁通的影响,并分析气隙在磁芯柱上的位置对铜箔与漆包线绕制的电感所产生的不同影\丨&i逼ttflfw. S12G. com山响。
?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。
磁芯如何开气隙
le/ue=24.2/2300=0.0105
le的单位是mm
电感跌落 L/Lg 气隙深度 lg
表三
1.1
1.5
0.01155 0.01575
2
3
0.021 0.0315
4
5
0.042 0.0525
电感跌落 L/Lg 气隙深度 lg
8
9
0.084 0.0945
10 0.105
12
15
0.126 0.1575
30
40
50
60
70
80
0.97305 1.2974 1.62175 1.9461 2.27045 2.5948
从以上可以看出:气隙深度正比于电感的跌落幅度;磁芯越小,气隙越小,加工越难.
3: 开气隙的难度处决于气隙大小,气隙越大,设备成本低,易达到客户要求,加工难度小; 气隙越小,要求加工用的设备精度高,不易达到客户要求,加工成本高,加工难度大.
10%
15%
20%
25%
30%
9.09% 13.04% 16.67% 20.00% 23.08%
气隙误差 △/lg: 是由加工气隙设备的精度△(数显磨床精度为0.02mm) 和气隙深度lg(处决于客户要求的电感受量大小和无气隙之感量)决定的.
b: 以磨床的精度0.02mm为例,在其它条件固定不变的情况下,
0.3 6.25%
0.35 5.41%
气隙深度 lg(mm) 电感误差 △/Lg
0.4 4.76%
0.45 4.26%
0.5 3.85%
0.55 3.51%
0.6 3.23%
气隙深度 lg(mm) 电感误差 △/Lg
0.65 2.99%
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气隙磁芯电感
当气隙较大时，有效磁导率为lc/δ,在磁芯不 饱和时电感量不随电流变化，为线性电感。 电流连续Buck类直流滤波电感、升压电感， 反激变压器等。按2Iomin决定电感量。 当输出电流小于最小电流时电流断续，为避 免振荡需要假负载，降低了效率。希望在小 于Iomin时电感量大，当大于Iomin时回到正常的 电感量的非线性电感。磁粉芯就是非线性电 感，但成本高。可以采用非均匀气隙电感。
2
交流滤波电感
基本关系 基波电抗 视在功率 基波端电压 磁芯选择 作为滤波电感，通常输入电压包含高频调制频率，磁 感应B基波是正弦，磁滞损耗与正弦相似，涡流损耗 显著增加，更薄的钢带或更高电阻率。 气隙边缘磁通引起损耗严重时，应当分段气隙。
Z = ωL 2 S = ω LI （VA）
U = I ω L = 4.44 fBAe N
气隙边缘磁通穿过线圈，高频磁通在线圈中 引起涡流损耗，通常称为被动损耗。 边缘磁通对周围电气元件引起干扰。
通常希望将气隙开在中柱上，减少干扰， 但损耗增加。
减少边缘磁通损耗的措施
磁芯
线圈避开气隙
骨架套塑料环 在气隙附近不放导线
线圈 塑料环 骨架
分割气隙
将一个气隙分成几个气隙,边 缘磁通范围大大缩小。磁势与 磁压降分布，窗口中散磁小。 中柱边柱都有气隙
把带气隙磁芯磁导率看成整个磁系统的磁导率
NI =
μ0 μr
Bc
lc +
Bδ
μ0
δ=
μ0 μr
Bc lc
(1 +
μ rδ
lc
)=
μ0 μe
Bc lc
则有效磁导率
1 ⎧ ⎪1 μr ⎪ μ +δl =⎨ μe = r c μ rδ ⎪ 1+ lc lc lc ⎪ δ → μr ? δ ⎩
(例如μi=2000,lc=20cm,δ＝2mm，0芯磁导率线性化，对于环形气隙磁 芯，如忽略边缘磁通
NI = H clc + H δ δ =
也可以写成：
μ0 μ r
)
Bc
lc +
Bδ
μ0
δ
NI = lc ( H c + H c
μrδ
lc
B相同，H为两部分合成 1.可见将磁化曲线线性化 了。 2.剩磁小了。
气隙磁芯等效磁导率
U = U o + ΔU R
' o
Dmin = U / U i max 参数选取：市售功率磁芯 B ≤ 0.9 Bs100
损耗：主要是铜损：直流滤波电感只考虑直流损耗； 反激连续模式，不仅考虑直流，也要考虑交流邻近效 应损耗。 断续模式按损耗100mW/cm3(自冷）选取磁通密度，既 要考虑线圈损耗，也要考虑磁芯损耗。
电感能量
电流产生磁场，即建立磁场能量（环形为例）
Wm = ∫ AlHdB = V ∫
0
B
B
0
VBH LI HdB = = 2 2
2
环形气隙磁场能量
Vc B Vδ B + Wm = 2 μ0 μ r 2 μ0
2
2
气隙能量与磁芯能量比
Wδ Vδ μr δμr = = k= Wc Vc lc
（忽略散磁 通）
气隙磁芯电感
南京航空航天大学 赵修科
jops@ gelblion@
电感定义
电感也称自感系数，简称自感，习惯 称电感，它是线圈磁链与产生此磁链 的线圈电流的比值： ψ
L=
ψ 是线圈主磁链与散磁链总和, 不存在‘漏磁’。
i
NBA 2 μ0 μ r A =N L= = i Hl / N l
如果是环形闭合磁路磁芯
ψ
电感与磁芯μ成正比。如果μ随电流改变，电感 量也随之变化，电感为非线性电感。
电感单位
电感单位为亨利，简称亨，符号为H。 定义：线圈通过1A电流，产生总磁链为1Wb， 则电感量为1H。 也可以这样定义：在1秒内线圈电流从零线性增 长到1A，线圈两端感应电势为1V，则线圈电 感量为1H，也等于1欧秒（Ωs）
非均匀气隙磁芯电感
非均匀磁芯气隙电感
斜坡气隙－类似磁粉芯特性 阶梯气隙－可设定特性 例如气隙宽度1/5,最小的气隙为 δ/20,可以获得
L/L0 5 4 3 2 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 I/Io
δ/20
δ
δ
气隙的边缘磁通
磁没有绝缘，空气隙周围空间也是磁路的一部分 －边缘磁通。气隙越大，边缘磁通范围越大。 边缘磁通与气隙磁通并联， 在线圈包围的磁芯中磁通增 加，总磁链ψ增加，电感量 加大。
谢谢！
祝大家身体健康！
气隙磁芯线圈电感量计算
当气隙小于1/20气隙外郭尺寸：矩形截面a×b，圆 直径d时： 2 2 1 N μ0 μe Ae N μ0 Ae μe = ≈ L= 1 +δ le δ μr lc L 当气隙大于1/20气隙外郭尺寸：矩形截面a×b，圆 直径d时：
N μ0 Ae ⎧k = (1 + δ a)(1 + δ / b)矩形 L≈ k⎨ 2 δ ⎩k = (1 + δ / d ) 圆
维持电感量措施
边缘磁通相当于气隙等效面 积Aδ增加，电感加大：
μ0 Aδ L= =N I δ ψ
2
所有磁通都通过磁芯，磁芯截面没有变，磁 感应增加。维持L不变，只有增加气隙δ。如 果减少匝数，将增加B，可能引起饱和和损耗 大。 LΔI LI
N=
Ae ΔB
≈
Ae B
（电磁感应定律求）
边缘磁通对电感性能影响
减少边缘磁通的措施（续）
气隙用低磁导率磁粉芯代替 采用较大截面积的磁芯，较小 的气隙电感。 平面磁芯。
μ0 Aδ N = LI 2 L=N Ae B δ
反激变压器大电流铜箔远离 气隙，让多股线靠近气隙。
磁粉芯
气隙电感的机械噪声
直流滤波电感，高频（>10kHz)一般听不到可 闻噪声。如果听到低频噪声，是系统振荡引 起的。 低频交流滤波电感噪声，可以听到基波倍频 噪声。
噪声来源
电磁力引起的噪声； 材料磁致伸缩引起的噪声； 通流线圈在气隙边缘磁场中受到电磁力。 减少噪声从以上三方面入手
直流滤波电感设计要点
直流滤波电感量(Buck) 式中：
ΔI = 0.2 I o
' o
' ' U o (1 − Dmin ) U o (1 − Dmin ) L≥ = 0.2 I o f ΔIf