搜索利用ANSYS Maxwell深入探究軟磁體之----電感變壓器
2017-05-10 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
相信大家對(duì)軟磁鐵氧體都不陌生,功率變換都離不開(kāi)它,但是關(guān)于它的各種“場(chǎng)”量卻很難直觀的去觀察,記得之前有個(gè)貼,很多人在爭(zhēng)論能量到底是在氣隙,還是在磁體里面,我相信下面的帖子,會(huì)讓你做出判斷。
好了,下面準(zhǔn)備開(kāi)始。
首先來(lái)看看共模電感:
建好模型,磁芯磁導(dǎo)率設(shè)置為10000ui,激勵(lì)設(shè)置為50HZ 20A電流。
仿真完成后,一個(gè)正弦電流周期內(nèi),其電場(chǎng)正反向循環(huán)產(chǎn)生,兩組線圈電場(chǎng)方向總是對(duì)立的,且H值,已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的一個(gè)值了達(dá)到了5.5e 005 ,共模實(shí)際應(yīng)用中,基本上不會(huì)有這么高的H值,在這里只是想仿真共模磁芯不會(huì)飽和。
再看看在此種情況下,磁芯的磁通密度情況,通過(guò)數(shù)值和云圖可直觀的發(fā)現(xiàn),線圈基本上沒(méi)有在磁芯里產(chǎn)生磁通。
下面,我們把左邊繞組圈數(shù)減少1圈,可見(jiàn)其磁場(chǎng)強(qiáng)度差異并不是很明顯。
我們?cè)诳纯礈p少左邊繞組1圈后,磁芯磁通密度情況,下圖可見(jiàn),磁芯已經(jīng)飽和。此時(shí)電感量已經(jīng)接近0,已經(jīng)起不到濾波的作用了。
接下來(lái),再看看差模/儲(chǔ)能電感仿真:
線建立好模型:
下圖為儲(chǔ)能放能的電場(chǎng)變化:
經(jīng)常說(shuō)到的,電感儲(chǔ)能,其實(shí)就是MOS導(dǎo)通時(shí),線圈給磁芯充滿磁通,由于是軟磁,外電場(chǎng)一消失,那么內(nèi)部磁芯的磁通就開(kāi)始自然泄放,泄放過(guò)程中,變化磁場(chǎng)有產(chǎn)生電場(chǎng),使線圈產(chǎn)生電流驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
接下來(lái)我們先看看趨膚效應(yīng):先建立模型,一根1mm直徑的漆包線
圓形漆包銅線,其趨膚效應(yīng)公式為:66.2/√f (mm) ,10Khz時(shí) 其趨膚深度0.662,也就是說(shuō),10KHZ能用圓形漆包線的理論最大直徑為1.32mm
下圖為1mm漆包線施加10Khz 4A交流電時(shí)的電流密度分部,可見(jiàn)其截面中心與外部電流密度相差甚小,約0.02A/mm2
下圖為60KHz時(shí),電流密度分部,可見(jiàn)截面中心電流密度和靠漆包線表面的電流密度開(kāi)始出現(xiàn)較大差異。
下圖為110KHZ 時(shí),電流密度分布,可見(jiàn)截面靠表面的電流密度約是中心電流密度的7倍左右。
下面看看1MHZ電流時(shí),其電流密度分部,可見(jiàn)中間粉色部分,已經(jīng)沒(méi)有電流了,表面電流目的已經(jīng)達(dá)到21A/mm2 這個(gè)時(shí)候漆包線溫度將非常高,根本無(wú)法使用。
接下來(lái),我們看看永磁體在磁場(chǎng)作用力下的情況,由于永磁體本身剩磁較大,矯頑力也非常大,所以會(huì)和磁場(chǎng)產(chǎn)生反作用力以下圖片都是線圈磁場(chǎng)加在軟磁體上,和永磁體釹鐵硼的反應(yīng):
接下來(lái),我們看看鄰近效應(yīng),線建好模型,一根圓形漆包線,為了視覺(jué)問(wèn)題,我按以下方式折回,末端間隔0.05mm
以下所有情況都是4A 電流 1mm直徑銅線 頻率10khz時(shí),可見(jiàn)鄰近效應(yīng)不明顯。
60Khz 時(shí),導(dǎo)體相鄰位置電流密度明顯比兩側(cè)高1倍左右。
110Khz 時(shí),導(dǎo)體相鄰位置電流密度明顯比兩側(cè)高3倍左右。
1Mhz時(shí),鄰近效應(yīng)已經(jīng)非常明顯,相鄰位置電流密度高達(dá)47A/mm2 而兩側(cè)幾乎沒(méi)有電流,此時(shí)銅線會(huì)因溫度高而燒毀短路。
鄰近效應(yīng)----------2 上面說(shuō)的是反向電流時(shí)的鄰近效應(yīng),下面看看同向電流時(shí)的鄰近效應(yīng):
建模,激勵(lì)電流同方向,此種情況和變壓器電感同一繞組,且一層的情況比較像,還是0.05mm間距,4A電流,1mm直徑銅線。
10KHZ時(shí),相鄰位置電流密度略低于兩側(cè)電流密度,不過(guò)不明顯,同向電流時(shí),和反向電流時(shí),電流密度分布也是相反的。
60Khz時(shí),已經(jīng)明顯了很多,相鄰處電流密度較兩側(cè)底三分之一左右。
1MHZ時(shí),電流已經(jīng)被擠壓在上下兩側(cè)了。
下面,我們來(lái)模擬buck電路下,磁性元器件的工作情況,首選建立好外加電路,典型的簡(jiǎn)易buck:
開(kāi)始建立模型,由于頻率是90KHZ 大概計(jì)算采用EE22磁芯,開(kāi)氣息。
圈數(shù)27Ts ,模型完畢,接下來(lái)就是設(shè)置激勵(lì),添加電流。
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