环形共模电感近磁场泄漏分析

陈开宝 陈 为

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

环形共模电感近磁场泄漏分析

陈开宝 陈 为

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

为了解决功率变换器引起的EMI问题，普遍的做法是使用滤波器。环形共模电感作为EMI滤波器中重要的器件，既是容易受外界磁场干扰的敏感设备，也是一个主要的磁场泄漏源。本文以环形共模电感为研究对象，借助有限元分析软件Ansoft Maxwell分析了环形电感近磁场泄漏的场分布形式及变化规律，并分析了两种绕组方式、磁心材料磁导率、绕组张角、磁性外径等因素对共模电感近磁场泄漏的影响。实验结果可用于指导共模电感设计以及电路布局。

共模电感；近磁场；磁泄漏

功率变换器效率高、体积小、电能处理方便，因此得到广泛的运用。但是鉴于开关器件的高频通断，使功率变换器存在较大的电磁干扰[1]。电磁兼容是功率变换器一项重要的指标，任何商品化的功率变换器都要通过电磁干扰标准测试。EMI滤波器作为抑制电磁干扰的有效措施，共模电感是EMI滤波器中重要的器件，它能有效减少从功率变换器进入电网的共模干扰信号。

共模电感虽然是用来抑制共模干扰信号，但是绕组通过的电流主要是功率电流，由共模电流引起的近磁场泄漏很小，共模电感的近磁场泄漏主要是由功率电流引起的。在高功率密度运用场合，EMI滤波器与主电路之间的距离、EMI滤波器内部器件之间的距离都比较小，共模电感近磁场泄漏与其他器件耦合，EMI滤波器的高频衰减特性变差，因此滤波器往往处于过设计[2]。已有研究表明，在滤波器电路结构和器件完全相同的情况下，仅仅调整滤波器内部器件的布局，滤波性能就出现很大的差异，这说明磁性元件的泄漏磁场耦合已经严重影响到电路的性能。

共模电感近场磁泄漏与磁心形状、绕组结构、绕组激励、周围环境等因素相关，泄漏磁场空间分布形式复杂，一般难以通过基本电磁场公式获得理论解，因此研究共模电感近磁场泄漏的文献资料相对较少。通常构建共模电感高频模型时都是借助阻抗分析仪等提取单个共模电感的寄生参数，并没有考虑共模电感与其他器件之间的磁场耦合。如果能很好的控制或者知道共模电感磁场泄漏的形式和规律，就可以实现零耦合，提高滤波器的性能[3]。

本文借助有限元仿真软件Ansoft Maxwell，分析环形共模电感的近磁场泄漏的场分布形式和规律，并分析了绕组绕方式、绕组张角、磁心材料磁导率等因素对共模电感近磁场泄漏的影响。

1 共模电感两种绕组方式近场磁泄漏对比

功率变换器中的共模干扰信号在L线、N线和地线构成回路，为了抑制该干扰信号，需要在共模信号回路上串联大阻抗的共模电感。共模电感磁心材料的磁导率高、绕组匝数多，两个绕组以相同绕向绕组绕制在一个磁心上。共模干扰信号产生的磁场相互叠加，较小的共模干扰电流就能产生较大的共模磁通。但是两个绕组上功率电流产生的磁通方向相反，磁心不易饱和，共模电感比较常见的绕组绕制方式有两种。图1（a）所示的绕组绕制方式一，是两个绕组分开绕制在磁心左右两侧，为了在共模电感集成差模分量，绕组的张角（图 1中的α）并非180°，并且绕组张角可以根据需要进行调整。图1（b）所示的绕组绕制方式二，是两个绕组并绕，均匀绕制在磁心上。

图1 共模电感两种绕组方式

共模电感近场磁泄漏具有空间三维特征，如果完整表达共模电感的近场磁泄漏就需进行三维仿真。三维仿真不仅对计算机硬件资源要求高，而且难以定量和定性分析近磁场泄漏。以共模电感一匝绕组产生的近场磁泄漏为例，如图2所示。绕组产生的泄漏磁场可以分为圆周面和上下面磁场泄漏两部分。上下面产生的近磁场泄漏无法用简单的二维仿真表示，圆周面产生的磁场泄漏与磁心高度无关，因此可以用简单的二维仿真实现，本文仅研究共模电感圆周面产生的近场磁泄漏。

1.1 绕组方式一近磁场泄漏分析

借助有限元仿真软件Anosft Maxwell构建绕组方式一共模电感二维模型如图3所示。磁心内径ID= 15mm、外径OD=25mm、磁心相对磁导率10000，磁心高度采用软件默认值为 1m。左右绕组各为 19匝，线径为0.9mm的漆包线，绕组张角α=150°，绕组电流激励为1A（本文所指的绕组电流激励均为共模电感1匝绕组上施加的电流激励，下文用到的绕组激励均为1A）。

图2 共模电感圆周面和上下面近磁场泄漏

图3 共模电感绕组方式一仿真模型

图4 绕组方式一近磁场泄漏磁力线分布

借助有限元仿真软件Anosft Maxwell构建绕组方式一共模电感近磁场泄漏的磁力线分布如图4所示。两个绕组在主功率电流激励下产生的磁场在磁心中方向相反，磁力线在磁心上下端经空气构成闭合回路，空气中磁通的路径有主要两条（图4中路径A和路径B）。路径B在电感内部，不影响电感对外的磁场泄漏，磁通路径A从共模电感上下两端开始经电感外围空间形成回路，经过路径A的磁通数量多，磁通扩散范围广。从电感近磁场泄漏的磁通密度云图（图 5）可知，电感的上下端泄漏磁场的磁通密度较大，并且在共模电感四周较大范围内都有较强的磁场泄漏。

图5 绕组方式一近磁场泄漏磁通密度云图

1.2 绕组方式二近磁场泄漏分析

构建绕组方式二的共模电感二维仿真模型如图6所示。磁心尺寸、绕组匝数与图 3的模型相同，绕组从左右两侧布置变成双股并绕。

图6 绕组方式二仿真模型

共模电感绕组方式二的近磁场泄漏磁力线分布如图7所示。由于共模电感结构对称并且绕组均匀分布，所以磁力线的在电感四周在电感的圆周范围内均匀分布，整体上呈“花朵”状。靠近磁心区域磁力线较为密集，远离磁心较稀疏。与图5相同计算范围绘制绕组方式二泄漏磁场的磁通密度如图 8所示。对比图 8、图 5可知，绕组方式二的共模电感近磁场泄漏不仅数值远小于绕组方式一，而且泄漏磁场的影响区域更小。

图7 绕组方式二近磁场泄漏磁力线分布

图8 绕组方式二近磁场泄漏磁通密度云图

为了定量分析、比较共模电感两种绕组方式磁场泄漏，在磁场泄漏较强的上下端从距离绕组表面1mm开始沿磁心半径方向向外做一条20mm的直线（图3的Line1、图6的Line2），计算两条直线上的磁通密度如图9所示。从图可知，绕组方式一近磁场泄漏的磁通密度在计算范围内均大于方式二，而且磁通密度减小比较缓慢。

图9 两种绕组方式近磁场泄漏磁通密度对比

共模电感绕组方式二虽然近磁场泄漏较小，但是绕组并绕寄生参数大，高频特性差，差模分量小，需配合差模电感使用，实际中运用较少。下文继续研究绕组方式一共模电感磁场泄漏的影响因素。

2 共模电感近磁场泄漏影响因素分析

2.1 磁心磁导率对共模电感近磁场泄漏影响分析

共模电感的磁心为高磁导率的锰锌或镍锌，不同的材料配比，磁导率存在一些差异，可能会影响共模电感近磁场泄漏。改变图3仿真模型的磁心相对磁导率分别为3000、7000、10000、15000，仿真后计算图3中Line1线上泄漏磁场的磁通密度如图10所示。从图可知，4个磁导率下泄漏磁场的磁通密度变化曲线重合。共模电感绕组的功率电流产生的泄漏磁通经过空气形成回路，空气路径长，磁阻大，共模磁心的相对磁导率最小也有几千，磁心磁阻基本可以忽略，因此磁心的磁导率对共模电感近磁场的泄漏的影响并不是很明显。

图10 不同磁心磁导率泄漏磁场磁通密度对比

2.2 共模电感绕组张角对近磁场泄漏影响分析

共模电感通过调整绕组张角α，保持共模分量不变就能获得不同的差模分量。但是调整绕组张角会导致共模电感泄漏磁场数值大小、影响范围发生变化。以图3的模型为例，保持绕组匝数不变，改变绕组的张角分别为 80°、90°、120°、150°，4种结构如图11所示，在磁心厚度为1m条件下得到差模电感见表 1，绕组张角越小差模分量越大。同1.2节的处理方法，计算磁心表面1mm开始沿半径朝外 20mm直线上泄漏磁场的磁通密度如图 12所示。从图可知，绕组张角越大，靠近电感两端泄漏磁场越大，随着距离的增加，不同张角下近磁场泄漏情况基本一致。从4种绕组张角共模电感的近磁场泄漏的磁通密度云图（图13）可知，绕组张角越小，近磁场泄漏影响的范围越大。

图11 不同绕组张角的共模电感

表1 共模电感不同绕组张角的差模分量

图12 不同绕组张角泄漏磁场对比

图13 不同绕组张角泄漏磁场磁通密度云图

2.3 磁心外径对共模电感近磁场泄漏的影响分析

共模电感泄漏磁场通过空气形成回路，磁心外径OD不同泄漏磁场磁通路径长度不同，泄漏磁场会发生变化。在磁心内径、绕组匝数、绕组张角相同（ID=15mm，绕组19匝，α=150°）的条件下改变外径分别为OD=20mm、OD=25mm、OD=30mm、OD=35mm，4种电感结构如图14所示。仿真后计算电感上端从距离磁心表面 1mm开始沿磁心半径朝外 20mm直线上的泄漏磁场的磁通密度如图 15所示。

图14 四中不同外径的共模电感

图15 不同磁心外径泄漏磁场对比

从图15可知，在靠近共模电感区域，磁心外径越小，空气磁通路径较短，磁阻较小，产生的泄漏磁场的磁通密度越大。距离电感一定距离后，气隙磁通路径已经较长，磁心外径不同对磁路磁阻的影响很小，4种情况的泄漏磁场基本相同。

2.4 磁心中插入铁氧体对共模电感近磁场泄漏的影响分析

调整共模电感的差模分量除了调整绕组张角，还可以在磁心中插入铁氧体等软磁材料，降低差模磁通路径的磁阻。保持与图3相同的磁心、绕组结构，在磁心中插入厚度 2mm的铁氧体薄片如图 16所示，通过仿真计算添加铁氧体前后两种电感上端距离磁心表面1mm开始沿半径往外20mm直线上泄漏磁场的磁通密度，如图17所示。从图可知，添加铁氧体后泄漏磁场没有发生明显的改变，在磁心厚度为1m时差模电感显著提高，从604μH变成2202μH。

图16 添加铁氧体的共模电感模型

图17 添加铁氧体后磁场泄漏的磁通密度

3 结论

本文借助有限元仿真软件研究环形共模电感的近磁场泄漏，虽然不同的仿真模型得到的近磁场泄漏数值与本文存在差异，但是研究得到的结论和规律是相同的，具体包括如下。

1）共模电感两种绕组方式的近磁场泄漏的空间分布和数值大小差异比较大，绕组并绕方式近磁场泄漏远小于绕组分开绕制的方式，在共模电感高频特性满足的情况下使用绕组并绕方式，能够减少共模电感磁场泄漏对其他敏感器件的影响。

2）共模磁心磁导率在一定范围内变化并不影响共模电感的近磁场泄漏，因此较高磁导率的共模磁心，减少绕组匝数，降低主功率电流激磁安匝引起的磁场泄漏。

3）共模电感绕组张角越小，泄漏磁场的最大值越小，但是泄漏磁场影响范围扩大，如果共模电感的缺口位置有敏感设备，就可以通过减小共模电感的绕组张角，降低二者之间的磁场耦合。

4）共模电感的泄漏磁通经过空气形成回路，磁心外径越小，泄漏磁场的最大值越大。共模电感设计选用外径较大的磁心不仅能够减少绕组匝数，而且降低绕组损耗同时还能降低共模电感自身的近磁场泄漏。

5）在共模电感中插入铁氧体薄片可以提高差模分量，并且不改变原来近磁场的泄漏。使用铁氧体薄片代替角度调整改变差模分量的方式，对共模电感近磁场泄漏改善具有明显效果。

[1]陈为,何建农.电力电子高频磁技术及其发展趋势[J].电工电能新技术,2000,19(2):30-34.

[2]郑宝堂.PFC 电源近场辐射效应与模型的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[3]陈恒林,钱照明,Zeng Zhaohui,等.布局对EMI滤波器性能影响的研究[J].电工技术学报,2008,23(8):7-12,35.

[4]和军平,陈为,姜建国.功率因数校正电路杂散磁场对传导干扰发射作用的分析研究[J].中国电机工程学报,2005,25(14):151-157.

[5]姬海宁,兰中文,余忠,等.开关电源变压器磁心磁场与漏磁场的3D仿真研究[J].低压电器,2006(10):6-7,11.

[6]Hoene E,Lissner A,Guttowski S.Prediction of EMI behaviour in terms of passive component placement[C]// Electromagnetic Compatibility,2007.EMC Zurich 2007.18th International Zurich Symposium on,2007:49-52.

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

[9]Wang R,Boroyevich D,Blanchette H F,et al.High power density EMI filter design with consideration of self-parasitic[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2012:2285-2289.

The Analysis of Near Magnetic Field Leakage of Toroidal Common Mode Inductance

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

In order to solve the EMI problem caused by the power converter,the common approach is to use EMI filter.Toroidal common mode inductor as an important component in EMI filter，not only susceptible to external magnetic field interference,but also a major source of magnetic field leakage.In this paper,the distribution and change rule of the near field leakage of the toroidal common mode inductor are analyzed by means of the FEA software Maxwell Ansoft.The paper also analyzed the winding strategies ,permeability of core materials,winding angle,the outer diameter of the magnetic for the influence on common mode inductance near magnetic field leakage.The experimental results can be used to guide the design of common mode inductor and circuit layout.

common mode inductance;near magnetic field;magnetic leakage

陈开宝（1990-），男，福建三明人，硕士研究生，研究方向为电力电子高频磁技术。