隨著新能源汽車向高壓化，電池的大容量化發(fā)展，廣泛應用了升壓電感。在升壓電感磁芯氣隙設計過程中，經(jīng)常會遇到大氣隙分段設置的問題。氣隙設置不合理會導致線圈交流損耗變大，引起局部過熱，影響升壓電感使用壽命和整機效率。

單個氣隙開多大，氣隙如何分段，氣隙位置放在哪里效果最佳，這些問題一直困擾升壓電感開發(fā)工程師。針對此問題，我們采用AnsysMaxwell仿真軟件對升壓電感實際應用的大功率電感進行了多方面的分析計算，并對結果進行了研究總結，結合仿真軟件應注意哪些要點，以實現(xiàn)高效、準確的設計優(yōu)化?，F(xiàn)整理成報告分享給大家。

以下PFC的工作原理圖。其中升壓電感L就是本文的研究對象。

其工作原理主要是基于電磁感應和電感儲能特性。開關導通時，電感儲能，電流漸升；開關關斷，電感產(chǎn)生反向高感應電動勢，與電源電壓疊加，實現(xiàn)升壓，再經(jīng)電容濾波儲能，為負載提供穩(wěn)定的高于電源的輸出電壓，從而完成升壓過程。升壓電感在純電動車和混合動力車種都發(fā)揮著重要作用，是新能源汽車中不可或缺的組件。

本文已在中國第11屆功率變換器磁性元器件聯(lián)合學術年會中發(fā)表。旨在探討電動汽車用升壓電感的磁芯氣隙設計及其仿真優(yōu)化，分析氣隙大小、分布對電感性能的影響，并提出合理的設計建議，以期為電動汽車電感器的設計工程師提供理論依據(jù)和實踐指導。

01 GAP（磁芯氣隙）與d（線圈到磁芯間距）關系

在電感器設計中，GAP（氣隙）和d（線圈到磁芯間距）是兩個重要的參數(shù)，它們之間的關系可以從磁場和電感量的計算角度來理解。

氣隙（GAP）是磁芯中主要用于調(diào)節(jié)磁芯的磁導率和飽和特性。氣隙的大小會影響磁芯的ACR和感量。氣隙越大，ACR越大，感量越小。

線圈到磁芯的間距d 主要影響磁力線切割線圈面積的大小，被切割的面積越大，線圈通過的電流就越小，線圈的溫升就越高，直至燒機、炸機。

氣隙（GAP）主要是為了增加磁芯內(nèi)部的磁阻，使電感量減小，但較大的氣隙（GAP）會讓磁力線對線圈的切割變得嚴重，渦流損耗增大；而較大的線圈到磁芯間距d則會減弱磁力線對線圈的切割影響，降低渦流損耗。

在實際設計中，需要在氣隙和線圈到磁芯間距之間找到平衡。氣隙（GAP）過大會導致線圈渦流損耗增加，影響升壓電感的傳遞效率；線圈到磁芯間距d過大則會增大體積，增加成本，d過小則線圈會被磁力線切割到。

下面是相同的線圈到磁芯的間距d=1.8mm,研究GAP的大小仿真結果案例：

氣隙大小仿真結果

不同氣隙值對線圈性能的影響

為了更深入地了解氣隙對線圈性能的影響，通過進一步地分析發(fā)現(xiàn)，當氣隙等于d的三分之一時較為理想，此時氣隙位置的線圈內(nèi)壁磁通密度漏磁處最低，可降至0.02T。

02 升壓電感磁芯氣隙如何分段

磁芯氣隙分段通過將單一氣隙分割為多個小氣隙，旨在降低漏磁、減少渦流效應、提高熱穩(wěn)定性、精確控制電感量、降低損耗，并滿足小型化和高性能需求。

氣隙分段原則為一是單個GAP大小不宜超過線圈到磁芯間距d的1/2（一般取單個GAP≈d/3）；二是氣隙在線圈內(nèi)部均勻分布，即氣隙大小一致，間隔一致。

升壓電感氣隙如何分段？

本文分享200A 升壓電感為例，分析不同的氣隙方案對電感線圈損耗的影響：

可立克的實際應用案例：電流為200A，電感為120μH，紋波峰峰值為80A。在設計過程中，選用了NPV材料作為鐵芯，并通過計算確定最終匝數(shù)為37匝。

在設計中，重點研究了氣隙的布置對損耗的影響。具體而言，分別對一個氣隙、兩個氣隙、三個氣隙、四個氣隙和五個氣隙的情況進行了分析，主要關注磁芯損耗、線圈損耗以及ACR（交流電阻）。

通過多次仿真發(fā)現(xiàn)，隨著氣隙數(shù)量的增加，損耗逐漸降低。當氣隙數(shù)量達到五個時，系統(tǒng)的損耗達到最低值。這一結果為升壓電感的設計優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

隨后，可立克團隊開展了更為深入的氣隙分段研究。當分別將氣隙設置為 6 個氣隙、8 個氣隙、10 個氣隙時，交流損耗并未出現(xiàn)顯著降低。由此可以得出結論：就生產(chǎn)需求及成本控制而言，設置 5 個氣隙即可滿足要求。

值得一提的是，對于變壓器和電感設計而言，ACR是一個非常重要的參數(shù)，ACR 是指電感器在交流電路中表現(xiàn)出的電阻特性。理論上電感的損耗不僅直流電阻DCR帶來的直流損耗，重點還有ACR交流阻抗的損耗，包含導致磁芯產(chǎn)生渦流損耗、因趨膚效應和鄰近效應等產(chǎn)生的損耗，這些共同構成了交流電抗ACR的損耗。

03 如何設置最佳氣隙位置

如前文所述，5個氣隙是較為理想的配置，但5個氣隙在哪個位置，需要進一步地研究。

第一個圖是把磁芯做成U形的，第二個圖在U型磁芯的基礎上加了5毫米的轉折；第三、第四、第五個磁芯分別在增加了10毫米、15毫米、20毫米的轉折。

氣隙最佳位置實驗過程

經(jīng)反復探究，發(fā)現(xiàn)U型轉折尺寸為24毫米時損耗達到最優(yōu)狀態(tài)?；诖耍瑢ο嚓P數(shù)據(jù)進行總結，梳理出氣隙分段的段數(shù)、最優(yōu)氣隙大小與 ACR 值之間的關系。

氣隙與U型轉折尺寸的關系

氣隙位置對于線圈損耗影響很大。

氣隙位置設置合理分布均勻，不合理的氣隙位置，或者分布不均勻都將導致線圈損耗變大 。以下是氣隙大小和氣隙數(shù)量一樣，但氣隙位置各有不同所對應的仿真結果。

氣隙不同位置仿真結果

研究結果表明，向內(nèi)伸進 24毫米時，且擺放位置均勻，見下圖，效果最佳。同時，擺放方式對結果影響顯著，如圖所示，氣隙位置等于24毫米時，也就是GAP等于0.5mm*5個，ACR最小。

最佳氣隙位置

理想的氣隙位置是以各氣隙中心為分段線，每一段的磁阻與線圈安匝數(shù)成比例關系，而磁環(huán)電感最容易滿足這種理想的比例關系。

均勻段相關計算

等效磁路長度計算：均勻段等效磁路長度Le = 10.625 + 0.5 * 33.5 = 27.375mm ，其中33.5為帶電流疊加后的磁芯磁導率。

匝數(shù)及對應比值：對應線圈包圍磁芯的匝數(shù)是 5 匝，等效磁路長度與匝數(shù)的比值為27.375/5 = 5.475 。

串聯(lián)段相關計算

等效磁路長度計算：串聯(lián)段等效磁路長度Le = 90 + 0.5 * 33.5 = 106.75mm ，磁導率同樣為 33.5。因為此段磁路漏磁較大，磁阻會變小，Le按106.75 * 0.9系數(shù)計算約為 96 。

匝數(shù)及對應比值：對應線圈包圍磁芯的匝數(shù)是8.5 * 2 = 17匝，等效磁路長度與匝數(shù)的比值為96/17 = 5.647 。

均勻段與串聯(lián)段基本滿足等比關系，這對于確定最佳氣隙位置具有重要參考意義。

04鋁殼對電感和損耗的影響

在對線圈進行灌膠并加裝外殼之后，通過仿真分析，我們觀察到線圈的損耗有所下降，然而，外殼本身產(chǎn)生了3.5瓦的額外損耗。

也就是說產(chǎn)品帶鋁殼（灌封用）后，會產(chǎn)生渦流屏蔽漏磁場，導致漏磁磁阻增大，電感會下降，同時鋁殼會產(chǎn)生渦流損耗，由于漏磁一般含量較少，所以總體影響不大。

合理的氣息設計需滿足以下條件：

1、單個氣隙（GAP）應小于線圈到磁芯的距離（d）的一半，一般取GAP約為d的三分之一。

2、多段氣隙應在線圈內(nèi)部均勻布置，分段越多，線圈損耗越小。（當GAP小于d的一半時，繼續(xù)多分段減小氣隙對于改善線圈損耗效果不明顯）

3、確定理想的氣隙位置：以各氣隙中心為分段線，每一段的磁阻與線圈安匝數(shù)成等比例關系。

4、電感帶鋁殼（灌封）時電感會下降，同時鋁殼會產(chǎn)生渦流損耗，但總體影響不大。

以上結論只針對金屬粉心（磁導率120以下的磁芯）類電感，其他電感可做參考。

結語

通過仿真研究，我們對電動汽車用升壓電感的磁芯氣隙設計有了更深入的理解。合理的氣隙設計不僅能優(yōu)化電感性能，降低損耗，還能提高電動汽車的整體能效。未來的研究可以進一步探索不同材料和結構對電感性能的影響，以及如何結合實際應用進行更精細化的設計。

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審核編輯 黃宇