采用永磁体预偏磁的高频功率电感设计方案
4仿真分析
本文用AnsoflMaxwell软件对图6所示的磁心(U20—16—07)进行永磁体预偏磁技术的二维电磁场仿真分析。永磁体材质为NdFeB35，尺寸厚度1．2mm、高度3．5mm、电感气隙为0．2mm。永磁磁路软磁连接体选用高饱和磁通密度的矽钢片。线圈电流直流分量为5安匝，静磁场仿真结果如图7所示；设定正弦波交流电流纹波的频率为l00kHz、3安匝，交流涡流场仿真结果如图8所示。
分析图7、8可知，由于磁路磁阻参数的合理设计，有效实现了交流磁通与直流磁通在永磁体磁支路上的分离。由于永磁体磁支路上只有微弱的交流磁通流过，因此永磁体磁路上的软磁连接体可以选用高饱和磁密、低电阻率、低成本的矽钢片等材质。仿真分析证明了上述分析的正确性。
5实验验证
为了验证以上原理和设计的有效性，本文设计了1颗一定气隙的永磁体预偏磁电感。并通过Chroma3302．LCR表及直流偏置电源测量电感的直流特性。
电感样品如图9所示。磁心为磨制的UU型铁氧体磁心，磁心初始相对磁导率2300，右边柱磁心截面积84．8mm，上、下和左边柱截面积为42．4mnl，平均磁路长度70mill，绕线窗口高度19mm，窗口宽度为61TIITI。由于上、下和左边柱的直流磁通存在绕组直流电流磁势和永磁体磁势的抵消作用，磁心面积可以减半，使得绕组平均长度降低、绕组电阻降低。绕组线径0．32I'IIlTI，匝数为65匝，平均匝长601TITI；气隙为O．28nqlTl，在采用与不采用钕铁硼系永磁体(9．2x9．2×1．5rnrn)2种情况下测量了电感的直流特性，测试结果如图10所示。可以看出，永磁偏磁下电感的载流能力显著提高近1倍，但线圈的稳定感量值基本不受永磁体加入与否的影响。永磁体磁路的磁阻设计，即是对永磁体工作点的设计，可由磁阻与磁势的关系得到合适的初始(即线圈电流为零时)工作点，使永磁体的偏置磁通恰好能使得此磁性元件工作到接近反向饱和(即线圈电流为零，只有永磁体反向预偏磁作用时电感工作在接近饱和状态)的位置。永磁体工作点的设计与永磁体自身的永磁参数、面积、长度以及永磁磁路磁阻等都有关系。