利用ANSYS Maxwell深入探究软磁体之----电感变压器

2017-05-10  by:CAE仿真在线  来源:互联网

相信大家对软磁铁氧体都不陌生,功率变换都离不开它,但是关于它的各种“场”量却很难直观的去观察,记得之前有个贴,很多人在争论能量到底是在气隙,还是在磁体里面,我相信下面的帖子,会让你做出判断。

好了,下面准备开始。

首先来看看共模电感:
建好模型,磁芯磁导率设置为10000ui,激励设置为50HZ 20A电流。

仿真完成后,一个正弦电流周期内,其电场正反向循环产生,两组线圈电场方向总是对立的,且H值,已经达到相当高的一个值了达到了5.5e 005 ,共模实际应用中,基本上不会有这么高的H值,在这里只是想仿真共模磁芯不会饱和。

再看看在此种情况下,磁芯的磁通密度情况,通过数值和云图可直观的发现,线圈基本上没有在磁芯里产生磁通。

下面,我们把左边绕组圈数减少1圈,可见其磁场强度差异并不是很明显。

我们在看看减少左边绕组1圈后,磁芯磁通密度情况,下图可见,磁芯已经饱和。此时电感量已经接近0,已经起不到滤波的作用了。

接下来,再看看差模/储能电感仿真:

线建立好模型:

下图为储能放能的电场变化:

经常说到的,电感储能,其实就是MOS导通时,线圈给磁芯充满磁通,由于是软磁,外电场一消失,那么内部磁芯的磁通就开始自然泄放,泄放过程中,变化磁场有产生电场,使线圈产生电流驱动负载。

接下来我们先看看趋肤效应:先建立模型,一根1mm直径的漆包线

圆形漆包铜线,其趋肤效应公式为:66.2/√f (mm) ,10Khz时 其趋肤深度0.662,也就是说,10KHZ能用圆形漆包线的理论最大直径为1.32mm

下图为1mm漆包线施加10Khz 4A交流电时的电流密度分部,可见其截面中心与外部电流密度相差甚小,约0.02A/mm2

下图为60KHz时,电流密度分部,可见截面中心电流密度和靠漆包线表面的电流密度开始出现较大差异。

下图为110KHZ 时,电流密度分布,可见截面靠表面的电流密度约是中心电流密度的7倍左右。

下面看看1MHZ电流时,其电流密度分部,可见中间粉色部分,已经没有电流了,表面电流目的已经达到21A/mm2 这个时候漆包线温度将非常高,根本无法使用。

接下来,我们看看永磁体在磁场作用力下的情况,由于永磁体本身剩磁较大,矫顽力也非常大,所以会和磁场产生反作用力以下图片都是线圈磁场加在软磁体上,和永磁体钕铁硼的反应:

接下来,我们看看邻近效应,线建好模型,一根圆形漆包线,为了视觉问题,我按以下方式折回,末端间隔0.05mm

以下所有情况都是4A 电流 1mm直径铜线 频率10khz时,可见邻近效应不明显。

60Khz 时,导体相邻位置电流密度明显比两侧高1倍左右。

110Khz 时,导体相邻位置电流密度明显比两侧高3倍左右。

1Mhz时,邻近效应已经非常明显,相邻位置电流密度高达47A/mm2 而两侧几乎没有电流,此时铜线会因温度高而烧毁短路。

邻近效应----------2 上面说的是反向电流时的邻近效应,下面看看同向电流时的邻近效应:

建模,激励电流同方向,此种情况和变压器电感同一绕组,且一层的情况比较像,还是0.05mm间距,4A电流,1mm直径铜线。

10KHZ时,相邻位置电流密度略低于两侧电流密度,不过不明显,同向电流时,和反向电流时,电流密度分布也是相反的。

60Khz时,已经明显了很多,相邻处电流密度较两侧底三分之一左右。

1MHZ时,电流已经被挤压在上下两侧了。

下面,我们来模拟buck电路下,磁性元器件的工作情况,首选建立好外加电路,典型的简易buck:

开始建立模型,由于频率是90KHZ 大概计算采用EE22磁芯,开气息。

圈数27Ts ,模型完毕,接下来就是设置激励,添加电流。

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