环形电感近磁场泄漏及其影响因素分析

陈开宝 陈 为

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

环形电感近磁场泄漏及其影响因素分析

陈开宝 陈 为

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

随着电力电子技术的发展，功率变换器得到越来越广泛的运用，磁性元件是电力电子装置中必不可少的器件，同时也是主要的近磁场泄漏源。磁性元件近磁场泄漏可能对电路性能造成严重的影响，本文以最常使用的环形电感为分析对象，通过有限元仿真软件Ansoft Maxwell分析环形电感近磁场泄漏的磁场分布形式。同时分析环电感绕组疏密程度、磁心表面曲率、磁心材料磁导率以及端部引线方式等因素对近磁场泄漏的影响。可以根据研究结果指导环形磁性元件设计、布局，并为减少环形电感近磁场泄漏提供一些思路。

环形电感；近磁场；磁泄漏

功率变换器广泛采用PWM控制，通过开关器件的高频通断对电能进行处理，其电压、电流在时域上是不连续的，为了得到平滑的输入、输出、抑制电磁干扰和电气隔离等需使用磁性元件。磁性元件在功率变换器中承担着能量传递、存储和滤波等功能[1]。磁性元件处于主功率回路，激磁电流是频谱丰富的高幅值、快速变化的脉冲，在磁性元件周围产生强烈的漏磁场[2]。随着开关频率提高，磁性元件上的电流高频成分增多、基波平移，被干扰对象受到磁性元件近磁场泄漏的影响更加严重[3]。磁性元件的近磁场泄漏会造成很大的电磁耦合，对功率变换器的电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）有很大影响[4]。现有的磁性元件参数包括电气参数和热参数，但是还没有关于磁性元件近磁场泄漏的参数。

环形磁心由于制作工艺简单，磁心中没有气隙，横截面积相同以及输出电流大、损耗小，因而得到广泛的运用。在电力电子技术领域环形磁心通常作为滤波电感以及EMI抑制的共模电感。本文以常见的环形滤波电感为对象，详细分析其近磁场泄漏的场型分布，泄漏磁场数值大小，得出环形磁心的圆周面和上下面近磁场泄漏的数值大小，变化规律基本相同的结论，因此可以只研究圆周面的近磁场泄漏。并且分析了绕组的疏密程度、磁心材料磁导率、磁心的曲率以及两种端部引线方式对环形电感近磁场泄漏的影响。

1 环形电感上下面和圆周面近磁场泄漏差异对比

环形磁心本身是旋转对称结构，但是由于绕组绕向、绕组电流方向并非环绕对称轴，因此环形电感产生的近磁场泄漏总体上可以分成上下面和圆周面两个区域。环形电感的导线一侧靠近磁心，另一侧暴露在空气中，绕组电流产生的磁通，大部分经过磁心形成闭合回路，但是还有一部分磁力线通过空气构成闭合回路，这部分的磁场为泄漏磁场，环形电感的泄漏磁场如图1所示，圆周面绕组电流产生的近磁场泄漏容易于通过二维的仿真得到，但是上下面绕组电流产生的近磁场泄漏难以由简单的二维仿真表示。

图1 环形电感近磁场泄漏示意图

如果忽略上磁心下面绕组放射线分布、磁心圆周面是曲面这两个因素，绕组上下面和圆周面的近磁场泄漏就应该是相同的。为验证该想法，在Ansoft Maxwell仿真软件中构建三维电感模型如图2所示，具体参数见表1。根据距离绕组表面0.5mm泄漏磁场磁通密度的仿真结果（如图3所示），可知在电感上下表面，导线位置磁场泄漏最严重。为了定量分析电感上下面和圆周面的泄漏磁场，分别在上表面绕组和圆周面绕组中心处往外做一条长20mm的直线Line1和Line2，如图2所示，通过计算这条线段上的磁通密度进而分析和评估磁场泄漏的大小。从图4的计算结果可知，上下面泄漏磁场的磁通密度变化和圆周面泄漏磁场的磁通密度数值大小、变化规律基本一样，因此只要研究圆周面近磁场泄漏即可。

表1 三维仿真电感参数

2 环形电感近磁场泄漏分析

本文以深圳铂科公司的NPS130060环形磁心为例，磁心参数见表2。磁心相对磁导率为60，绕组为62匝，0.9mm的漆包线被均匀绕制在磁心上，激励电流设为1A（归一化）。根据磁心的参数建立仿真模型如图5所示。

图2 三维电感仿真模型

图3 电感上表面0.5mm泄漏磁场磁通密度分布图

图4 上下侧和圆周侧泄漏磁场随距离变化曲线

表2 铂科NPS130060磁心参数

图5 环形电感二维仿真模型

仿真得到环形电感近磁场泄漏的磁力线分布，如图6所示，由于环形磁心结构对称并且绕组均匀分布，因此环形电感近磁场泄漏的磁力线规律地分布在电感圆周范围内，整个泄漏磁场的磁力线呈“花朵”状分布。环形电感泄漏磁场的磁通密度分布如图7所示，靠近绕组的泄漏磁通密度最大，随着与磁心距离的增加，磁通密度迅速下降。

图6 环形电感近磁场泄漏磁力线分布

图7 环形电感近磁场泄漏磁通密度分布图

同之前处理方式，从绕组表面沿半径方向朝外做一条20mm的直线Line3，如图5所示。图8是Line3线上每个位置泄漏磁场的磁通密度。从图8可知，越靠近绕组位置泄漏磁场的磁通密度越大，但是随着距离增加泄漏磁场迅速减少，在距离绕组表面2mm之后泄漏磁场的磁通密度已经小于0.1μT。

图8 泄漏磁场磁通密度随距离变化曲线

3 环形电感近磁场泄漏影响因素分析

3.1 磁心材料磁导率对近磁场泄漏的影响

环形电感磁心材料一般为金属粉芯，其相对磁导率变化范围较大，磁心材料的磁导率可能对环形电感近磁场泄漏造成影响。以图5的仿真模型为例，根据铂科公司环形磁心的磁导率，设置模型磁心的相对磁导率为26、40、60、75、90、125六种，在相同绕组布置方式、1A激励电流进行仿真。仿真后计算从绕组表面沿半径朝外20mm的直线Line3上泄漏磁场的磁通密度，其结果如图9所示。图9中6种磁心磁导率的泄漏磁场变化曲线基本重合在一起，说明磁心的磁导率对环形磁心的近磁场影响很小，这是因为磁心的磁导率远大于空气的磁导率，即使磁导率发生一些变化也不影响磁场的泄漏。

图9 环形电感不同磁导率对近磁场泄漏的影响

3.2 绕组疏密程度对近磁场泄漏的影响

不同的电气参数设计，电感绕组匝数不同，绕组间距也不同。环形电感空间某个位置泄漏磁场由附近多匝绕组的泄漏磁场共同决定，因此绕组的疏密对近磁场的泄漏有一定的影响。仿真相同磁心（NPS130060）、相同的电流激励（1A），不同的绕组匝数（分别是N=30、N=40、N=62、N=115）的近磁场泄漏，这4种绕组结构如图10所示。仿真后，同样从绕组表面沿半径方向朝外做一条20mm长的直线，计算这条线上泄漏磁场磁的通密度变化。从图11的计算结果可知靠近绕组位置绕组越密磁场泄漏较小，但是在远离电感位置绕组越密，泄漏磁场的磁通密度越大（如果计算距离足够长，N=115的电感泄漏磁场在距离磁心较远区域将会大于其他3种方案）。因此，可以通过使用大一号的磁心或者多个磁心并联的方式减少绕组匝数，减少绕组密度，降低远离电感位置的泄漏磁场。

图10 NPS130060磁心不同绕组匝数仿真模型

图11 NPS130060磁心在不同绕组匝数近磁场泄漏

3.3 磁心表面曲率对近磁场泄漏的影响

与环形电感绕组疏密会影响电感近磁场泄漏一样，环形磁心外表面的曲率也会影响近磁场泄漏，本文以铂科公司磁导率为60的NPS材料、不同磁心尺寸为例（具体型号、参数、绕组匝数见表3），研究磁心曲率对环形电感近磁场泄漏的影响。为了减少绕组疏密不同对结果的影响，4种型号的磁心绕组匝数不同，保证绕组疏密基本相同，并设置绕组激励电流均为1A。具体仿真模型如图12所示。

表3 NPSXXX060系列磁心

为了定量分析4种不同曲率环形电感近磁场泄漏，从绕组表面沿磁心半径方向往外做一条20mm长的直线（处理方式如图5所示），计算直线上每个位置的磁通密度，其结果如图13所示。由图可知当距离绕组0.04mm之后4条曲线基本重合在一起，因此在绕组间距相同的情况下，磁心的表面的曲率对近磁场泄漏影响很小。

图12 NPSxxx060磁心仿真模型

图13 NPSxxx0060系列磁心不同距离磁通密度

3.4 环形电感端部引线处理方式对近磁场泄漏的影响

环形电感绕组从起点开始沿着固定的方向绕制，到达一定匝数后引出线，理想端部引线是两条导线紧靠在一起，如图14所示。通常为了安装的稳定性以及引线方便，常见的环形电感端部引线处有两种方式，如图15和图16所示。

图14 环形电感理想端部引线

图15 环形电感端部引线方式一

图16 环形电感端部引线方式二

图15 所示的引线方式一适用于PCB面积较小的情况，电感垂直安装，这种引线方式在电感的外围少了一匝绕组，图中虚线位置；图16所示的引线方式二适用于对高度有要求的场合，电感水平安装，多了一匝返回到对称侧的绕组，电感两个引线位置各多了一匝绕组，根据实际的绕组绕向，左右两侧引线处多一匝绕组的电流方向是相反的。

以图5的仿真模型为例（NPS130060磁心、62匝绕组、1A激磁电流，具体参数见表2），仿真分析环形电感端部引线为方式一的泄漏磁场磁力线分布如图17所示。从图中可知，少一匝绕组的位置成了主要磁场泄漏源，泄漏磁场的磁力线分布是以这一匝绕组为圆心的同心圆。根据泄漏磁场磁通密度分布图（如图18所示），在少一匝绕组区域的泄漏磁场的磁通远大于其他区域。为了定量分析泄漏磁场，从少一匝绕组表面沿着磁心半径方向往外做一条长度为20mm的直线Line4，如图17所示，计算直线上各点磁通密度的变化，并将计算结果与图5理想引线方式的泄漏磁场对比。根据对比结果，如图19所示，在计算范围内绕组少一匝的磁场泄漏值远大于理想引线情况。但是端部引线方式一的环形电感垂直安装在PCB上，泄漏磁场最大区域是垂直PCB向下，这个区域内一般较少有敏感器件，一定程度上减少电感近磁场泄漏的影响。

图17 端部引线方式一的泄漏磁场磁力线

图18 端部引线方式一近泄漏磁场磁通密度分布

图19 端部引线方式一和理想情况泄漏磁场比较

端部引线方式二电感外侧多了两匝绕组，并且这两匝绕组的电流方向不同，其中一匝和其他绕组电流方向相同，另一匝相反。以图5的仿真模型为例（NPS130060磁心、62匝绕组、1A激磁电流，具体参数见表2），仿真得到端部引线为方式二泄漏磁场的磁力线分布如图20所示。电流方向相反的这匝绕组成为主要磁场泄漏源，泄漏磁场的磁力线基本是以这匝绕组为圆心向外扩散。根据图21所示泄漏磁场的磁通密度分布图，电流方向相反的这匝绕组附近区域泄漏磁场的磁通密度远大于其他区域，并且整个电感泄漏磁场影响区域更大。在电感上从多一匝绕组表面沿磁心半径向外做一条20mm长的直线Line5（如图20所示），计算直线上每个点泄漏磁场的磁通密度并将计算结果与图5理想引线方式的泄漏磁场对比。根据图22所示的比较结果，测量范围内端部引线方式二的磁场泄漏都大于理想绕组情况。

图20 端部引线方式二泄漏磁场磁力线分布图

图21 端部引线方式二泄漏磁场磁通密度

图22 不同为位置近磁场泄漏随距离变化曲线

电感两种端部引线方式都会增加泄漏磁场的数值大小，扩大泄漏磁场的影响范围。端部引线方式一，磁心垂直固定安装方式，电感正下方的磁场泄漏最为严重。端部引线方式二常见于磁心水平安装的电路板上，这种引线方式在较大的范围内都有较严重的磁场泄漏因此在敏感设备离电感较近的情况下应避免使用这种引线方式。

4 结论

本文以环形电感的近磁场泄漏为研究对象，借助有限元仿真软件Ansoft Maxwell分析了环形电感的泄漏磁场，得出结论如下：

1）环形电感的近磁性泄漏分布可以分成上下面和圆周面两部分，上下面的磁场泄漏和圆周面的磁场泄漏的分布规律、数值大小基本相同。

2）环形电感磁心材料的磁导率比空气大得多，磁心材料的磁导率改变并不会对电感近磁场泄漏造成的影响。

3）环形电感绕组的疏密不同对近磁场泄漏有影响，绕组越密在靠近绕组位置泄漏磁场小于绕组稀疏的情况，但是在远离电感位置，绕组越密，泄漏磁场越严重。

4）环形电感表面的曲率并不会对电感近磁场泄漏造成影响。

5）环形电感两种端部引线方式都会使电感近磁场泄漏更加严重的，但是第二种引线方式的磁场泄漏范围、泄漏磁场强度都大于第一种引线方式。

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The Analysis of Toroidal Inductor’s Near Magnetic Field Leakage and Its Influence Factors

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

With the development of power electronic technology, power converters get more and more widely used, magnetic components are essential devices in power electronic devices, but also the main source of near magnetic field leakage. The near magnetic field leakage of the magnetic components caused serious impact on the performance of the circuit，In this paper, the most commonly used toroidal inductor’ near magnetic field leakage is analyzed by Ansoft Maxwell software. The effect of winding density, surface curvature of the magnetic core, core materials of permeability and end leads on near magnetic field leakage are analyzed. The results of the research, which can guide the design and layout of toroidal inductor, and provide some ideas for reducing the leakage of near magnetic field.

toroidal inductor; near magnetic field; magnetic leakage

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