新型电感器磁路气隙的优点

1 引言
传统EE型电感器的用途非常广泛，例如电子节能灯、电子镇流器、开关电源、充电器、各种家用电器等等。其年产量非常庞大。EE型电感器是由磁芯、骨架、线包和胶带组成，其中EE型磁芯是其核心组件。为了提高电感器的抗饱和能力，通常在EE型磁芯中柱的中间位置上设置磁路气隙。边缘磁通和散磁通集中存在于磁路气隙附近，而EE型的磁路结构使得磁路气隙处于线包的中心位置，使得边缘磁通和散磁通对线包的影响增大而带来了一系列的负面问题。
2 电感器气隙附近的部分线圈将失去“电-磁”转换作用
我们知道，空心线圈所产生的磁场很弱，这主要是因为空气的磁导率很低造成的。如果线圈中间没有高磁导率的磁性材料，线圈将无法产生强磁场。而EE型电感器的磁路气隙附近的线圈（参见图1），也将因中间没有高磁导率的磁性材料很难将电能转换成磁场能，其转换效率很低。所以，我们说气隙附近的部分线圈失去了“电-磁”转换作用。其结果导致EE型电感器要达到预定的电感量和性能，必须要额外地增加线圈的匝数，去弥补气隙附近的部分线圈失去 “电-磁”转换能力而造成的性能损失，这会使电感器的直流电阻值增大、损耗增加。电感器的气隙越大失去“电-磁”转换能力的线圈越多，结果造成漆包铜线的浪费将会越多，电感器的损耗也越大。它还会造成电感的Q值下降，引起电感的温升加大。
3 电感器气隙处附近的部分线圈削弱主磁通
在电感气隙附近的部分线圈，除了一些失去“电-磁”转换作用而不能参与“电-磁”转换外，还会受气隙附近边缘磁通的影响。根据有关电磁感应定律，在气隙附近的线圈（参见图2），在边缘磁通的作用下将感生电动势，产生的感生电动势将产生感生电流，感生电流最终形成感生电流磁场，其磁场方向与主磁通的磁场相反，请参见（图3）。
从（图3）我们可以清楚的看到，由于感生电流磁场的方向与主磁通的磁场相反，这将使主磁通的磁场变弱，因此我们说电感器气隙附近的部分线圈，由于边缘磁通的作用削弱了主磁通，这部分线圈以磁场能量的方式反馈回到电源，理论上使电感器产生的温升幅度应该很小。但其结果导致要达到预定的电感量，必须增加线圈的匝数，以补充削弱主磁通产生磁场的线圈，才能够达到预定的电感量。但增加的线圈会增大电感器的电阻值、从而增加电感器的损耗。电感的气隙越大产生的边缘磁通越大，削弱主磁通的线圈就越多。其结果使电感器的Q值降低、损耗增大，最终引起电感的温升升高。造成漆包铜线的浪费将越多。
4 电感器气隙附近的部分线圈将产生涡流损耗
相信大家都使用过电磁炉吧？金属靠近高频交变磁场时，在金属内部将产生很强的涡流，涡流使金属发热，电磁炉就是利用这个原理设计出来。
与电磁炉的原理一样，EE型电感器气隙附近的部分线圈请参见（图4），也会产生涡流损耗电能，使电感器的温升升高，这一部分的损耗我们称之为涡流损耗，涡流损耗的大小取决于电感线圈所使用的线径和气隙量。气隙量越小，（图4）中气隙附近虚线包括的范围越小，受涡流影响的线圈圈数越少。线圈的线径越小，漆包线里面的涡流面积越小，所造成的涡流损耗越低。因此，电感的气隙量和线圈的线径越小，涡流损耗越小，电感器产生的温升自然也就小。反之电感器的气隙量和线径越大涡流损耗越大，Q值越低、电感的功率损耗越大、电感器温升越高。因此磁路气隙是使电感器线圈产生涡流损耗的原因之一。
5 如何减少磁路设置气隙带来的不良负面问题
从上述的分析我们知道，传统的电感器在磁路中心位置引入气隙后，虽然提高了电感抗饱和的能力，但也带来了一些不良的负面问题，为解决这些负面问题，目前业界大都采用以下的几种方法进行处理：
1)使用大一规格型号的磁芯，减小磁路气隙量；
2)电感线圈绕组使用丝包线，或者线径较细的多股绞合线的方法；
3)采用垫气隙的方法设置磁路气隙；
4)由于电感器温升高，绕组使用QZ线。
磁路气隙大使得涡流损耗增大。这也是为什么很多电子产品工作频率并不高，例如：电子镇流、节能灯器等，电路通常在25kHz-50kHz左右的频率内工作，根据高频电流的趋肤穿透深度与绕组线径的选用原则，电感器工作在50kHz的情况下，只要绕组的线径不大于0.591mm，就不会引起绕组的电流趋肤效应损耗，但其输出电感的绕组仍然要采用丝包线，或者线径较细的多股绞合线的原因。而且有些客户在电感器线圈绕得下的情况下，还主张气隙量大一点好，从上面的分析我们知道,其实气隙越大对电感器越不利。如果不从经济的角度方面考虑的话，业界采用上述的几种方法，处理电感器磁路开气隙后带来的不良负面问题，其效果也不错。
传统电感器的磁路气隙设置在线包内的中心位置上，带来了很多的负面问题。这里我们建议：将磁路气隙转移到线圈外部，使其与线圈的距离拉大，减小其对电感器性能的影响。正是在这个思想的指导下，我司研究出了新型结构的UUI和EEI电感器。
6 UUI电感器磁路气隙的优点
新型结构的UUI和EEI电感器（参见图5和图6），它最大的特点是将电感的气隙位置，从位于线圈的中部移到线圈外部，在不改变“日”字型磁回路结构的情况下，采用了磁路多气隙的设计方法，优化了磁路的结构。从（图5）UUI的结构中我们清楚的看到，磁路由单气隙改为双气隙结构，使磁路每一处的气隙量变小，变为原来单处气隙量的一半，磁路气隙变小之后，其边缘磁通深入线圈的幅度与EE型电感器相比减小很多，再加上骨架两边壁厚的阻隔，气隙产生的边缘磁通进入线圈的幅度，就进一步减小。同样的道理，新型的EEI电感器也一样，请参见（图6），其边缘磁通进入线圈的幅度同样很小。
新型结构的UUI电感器通过对磁路进行优化，将气隙从线圈的中部移到线圈外部，并采用磁路多气隙的设计思路，将磁路中各处的气隙变小，大大减小了边缘磁通进入线圈的幅度，基本解决了电感器磁路引入气隙后，带来的不良负面问题，接下来通过实验来验证一下改善的效果。
实验一：我们做了四只电感器， EE型电感器和UUI型电感器各两只，分别测量电感的电感因数AL值、绕组ACR值、电感Q值等。具体实验数据请参见表1。
实验二：我们将实验一做的四只电感器，分别装在飞利浦220V/3U/23W节能灯上实验，并始终在同一个节能灯的线路板上进行实验，测量使用EE型和UUI型电感时的损耗情况。具体请参见表(2)，实验数据如下：
表 1 EE型与UUI型电感器参数比较
序号 项目参数 EE-19
电感器 UUI-16.3
电感器 参数变化
1# 2# 1# 2#
1 电感量mH 2.0085 2.0237 2.0115 2.0030 ——
2 匝数/线径 210TS/0.29mm 180TS /0.29mm 线圈减少
30匝
3 AL值 44.698 44.923 63.04 63.58 AL值平均
提高41.28%
4 电感Q值 87.5 89.3 140 138.5 Q值平均
提高57.5%
5 绕组ACR值Ω 5.0300 5.0187 2.9700 2.9085 ACR值平均
降低 41.5%
备 注 1、磁芯的截面积相同；
2、电感的气隙量均为1.0mm；
3、电感器的Q值和绕组ACR值使用40kHz/0.3V进行测量。