高频变压器气隙与漏感的设计

气隙是电机定转子之间的空隙。定子不转，转子需要转动，所以气隙是必须的，根据电机不同，气隙大小也不同。一般来讲，异步电机气隙小，同步电机气隙大。

高频变压器开气隙，是为了防止铁芯磁饱合，因为UPS中有高次谐波，但变压器开气隙的原理和电感是不一样的。变压器都是由硅钢片拼成的，两个对着的硅钢片之间的间隙叫气隙。气隙大了当然磁阻就大了。变压器留气隙是为了防止在工作中产生磁饱和。气隙是在铁芯交合处留的缝隙，和绕线无关。有了气隙虽然增加了磁阻，但却是有益的。气隙的作用是减小磁导率，使线圈特性较少地依赖于磁芯材料的起始磁导率。气隙可以避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和现象，更好地控制电感量。然而，在气隙降低磁导率的情况下要求线圈圈数较多，相关的铜损也增加，所以需要适当的折中，不可过大也不可过小。

1.什么是气隙?

存在于铁芯与铁芯的隙缝，使铁芯的部分磁路是由空气构成，故也可称为空气间隙 (AIR GAP )，如组合式铁芯EE、PQ、EFD Core... 等，不是一个闭合体，而是由两组铁芯对接组合而成，对接面产生的间隙就是磁芯气隙。而闭合体的铁芯如T 、SQ CORE... 等，就没有气隙。

2.气隙的用途?

变压器的铁芯中有气隙时，因空气的导磁率远低于铁芯导磁率，所以磁动势会在停留在气隙上，增大磁阻，使其导磁率大大下降与剩磁降低，而且最大磁通密度Bm可以达到饱和磁通密度Bs，从而使磁通增量增大，铁芯不易出现磁饱和。

1、气隙的大小可以减小磁导率，控制感量。

2、气隙可增大饱和电流，防止铁芯磁饱和。

3、合适的气隙大小可增大储能的效果与上限。

4、气隙能减小剩磁(Br)

5、开气隙会造成漏感增加，与激磁电流增大

3. 空气气隙能增加储能的能力

单位体积内的磁场能量称为磁场能量密度。

定义式：ω=W/V=(BH)/2。

V是体积。

当B强度的平方除以2μ时，储能不变，而气隙处的铁芯磁导率μ转变为空气导磁率，因空气的磁导率远小与铁芯导磁率，使气隙处的储能密度提升成百上千倍，因此空气气隙能增大了储能的能力。

因能量密度=1/2的μ乘以H的平方当电流相同时，H相同，不加气隙的磁导率更高 ; 而气隙太大，会因磁导率太低，使电感感量越来越难增加而加大了铜损，所以我们需要选择合适的气隙大小。

4. 加气隙后的BH值变化

X轴为电流产生的磁场强度(H)，Y轴为铁芯磁感应强度(B)，由三种不同的气隙体现的B-H表。

1、剩磁 (Br) 随着气隙变小而变小。

2、磁场强度(H)为电流的产生的磁场强度，电流强度随着气隙的增大而增大。

3、因储能密度为1/2BH，储能的能力为BH面积的一半，所以储能能力随着气隙的增大而增大。

5. 什么是气隙避让原理?

气隙的周围会产生磁力线，当磁力线打在铜线上，会产生发热的损耗，而当铜线于骨架的最底层时，也最不易散热。因此，有许多气隙避让的应用设计，如，气隙旁使用绝缘材或垫片，使用铁芯I片或R棒将气隙控制在最顶层与最顶层避开铜线，等等的设计工艺。一般，气隙小可能导致变压器饱和;气隙大，将使整个电源负载特性变软，空载和满载输出电压变化变大，另外纹波尤其是毛刺加大。

磁芯的磁导率远大于空气，根据H=B/u可以看出，u越小磁场强度H越强，而磁芯存储的能量与H成正比，W=VuH²/2，V是体积，u磁导率，所以说气隙存储了大部分的能量。

磁滞回线中的H是原边励磁电流所产生的磁场強度H(Io)和原边抗副边电流所产生的H(I1)及副也电流所产生的H(I2)的矢量和。即H=H(Io) H(I1) H(I2)的矢量和，而H(I1)=-H(I2)，即H=H(Io)，所以磁滞回线中的H为H(Io)，那么它所对应的电流是Io，而不是Io I1。

加气隙提高饱和N*I，变压器大部分能量存储在气隙中，气隙越大，变压器能存储的能量越大，故不容易饱和，变压器磁芯储能能力 E=0.5*B*V*H.,加入气隙后，H是磁芯和空气部分等效He。

空心线圈永不饱和，故加入气隙后，整个磁路具有一点空气特性。饱和磁通密度仍然为磁芯材料的饱和磁通密度。但是，变压器能承受更多能量(在气隙中占大部分)。

气隙越大，线圈中雜散磁场越强，导致涡流越大，损耗就大!

可近似认为有气隙铁心的磁阻都集中在气隙中:

Rm≈δ/μ*Ac (1)

其中μ=4*π*10^(-7) (H/m)——真空导磁率;

δ——气隙厚(m);

Ac——气隙面积(m^2)

磁阻的倒数为磁导,或称每圈电感.所以有气隙铁心的电感量为:

L=μ*Ac*N*N/δ (H)(2)

另一方面,电感为单位电流产生的磁链,

L=ψ/I =N*Bm*Ac/Im (H) (3)

(Bm Im分别为最大磁密(T)与最大电流(A) )

所以,联立(2)、(3)式有

δ=1000*μ*N*Im/Bm (mm) (4)

使用(4)式注意,

1)全部使用国际单位制;

2) (4)式为磁路气隙之和,例如垫纸片形成气隙时,纸片厚度为(4)式的一半;

3)因(1)式略去了铁心磁阻,故(2)式的计算结果略微偏大。

为什么电抗器气隙越大，电感越小?电感和阻抗成正比关系么?

线圈的电感量是与磁路的磁导率u成正比的，气隙越大，磁路的磁阻越大，也就是说磁导率降低了，所以电感量就小了。电感的感抗 X = 2 * ∏ * f *L所以感抗X与电感量L成正比。

为什么说磁导率降低了，所以电感量就小?

磁导率是磁阻的倒数，磁阻大了，磁导率就小了。那和电感量有什么关系呢?

线圈的电感量是与磁路的磁导率u成正比的。