电感的特点
电感最先被发现，半个世纪后，人们才发明变压器。但是在工业中，最先得到应用的却是变压器。电感和变压器都是由磁性材料如矽钢片铁氧体，和绕组组成，都具有，且只具有磁电转换功能，统称为磁性元件。这两个元件的制作、工作机理、工作方式和各自的应用大不相同。在开关电路里，电感在关断时送电，变压器在开启时供电。电感储能，变压器一点能量也不能储存。
为什么要探讨电感
所有的电功率转换装置里都有磁性元件，至少要有电感。
随着大功率，超大功率转换器的应用，传统的器件受到极大的挑战。
比如100马力电动机车，行驶1个小时，功耗为为735千瓦小时。10千瓦的充电器要充电73个小时。10% 的损耗，73千瓦小时，相当于一个家庭几天的用电量；如何提高效率是个头等大事。10千瓦的充电器，鞋盒子般大小；如何减小体积是第二件大事。
比如20000千瓦的风能逆变器，其效率只有20%，提高1%的效率，增加5%收益。改善风能逆变器磁性元件效益，大有可为。
在过去100多年里，磁性元件的材料、形状、体积有过很多改善，变压器的技术臻于成熟，研发几十、几百千瓦的变压器已经不是难题；但是区区几百瓦的电感的研发生产也有很难突破的瓶颈。问题出在功率增加，体积必然增加， 但是到了某一临界点后，电感体积增加，输出功率增长有限，损耗增幅迅速，效率极度下滑。
电感存在的一个技术问题
2002年加州大学圣地亚哥分校的Xueren Wang, Mark Tillack and S. S. Harilal发表研究激光等离子体发生器永磁磁场分布的研究报告[1]。下图，黄色为热分布的第一梯度；咖啡色在四个内角处，为热分布的第二梯度；内角的拐点红热，为热分布的最高梯度。这是因为磁力线沿着最小路径分布趋势，路程较短的内拐角处聚集磁力线，高密度磁通产生热点。通常所说的磁饱和并不是均匀地发生在每一个磁小体，而是集中在曲率半径较小的拐点附近，即磁芯内角处。
图 1 永磁磁路的分析和模拟两维图
在相同质材的铁氧磁体中，磁阻与磁路长度成正比。E磁芯内除了拐角部分的边腿、扼背、中心柱诸磁路长度均相同；唯有在拐角处，外圈路径比内圈路径长，因此外圈磁阻比内圈磁阻大。
磁通与磁阻成反比。磁力线在最小磁阻区域附近，即在内圈，尤其是内角处密集，磁通分布不均匀，减少了磁芯的利用率。近年研发的PQ、RM、Planner新型磁芯，外壁宽薄，提高了磁芯利用率的原因，但是还没有从根本上解决问题。
图 2 传统E磁芯内磁力线分布示意图
怎么解决这个问题呢？
图 3 嵌入8个计算所得高磁阻等腰三角形后，该E 磁芯磁通均匀分布
如在E磁芯的拐角处嵌入由磁阻较高的磁性材料制作的等腰三角形如图3所示，内圈的磁阻增加后，与最外圈的磁阻相同。假设这样设计可使拐角内各磁路的磁阻相等，这就会使整个E 磁芯的各个磁环路的磁阻相同。
从数学上可以证明，如此设计的磁芯，其内部的磁力线分布均匀，不再有热点。
具体设计公式及其证明从略。
一个实例是Coilcraft为 On Semiconductor设计的http://www.mouser.com/ds/2/308/MC34262-D-96837.pdf
p13显示的450瓦电感Coilcraft PT4220，
Primary: 38 turns Litz wire, 1300 strands of #48 AWG,
Secondary: 3 turns of # 20 AWG
Core: Coilcraft PT4220, EE 42−20
Gap: 0.180″ total for a primary inductance (LP) of 190 mH (15.7% gap)
有经验的工程师在设计电感时，往往要留很大的冗余量，电感强度只取其最大值的1/3 或1/4。 这样，磁芯的体积往往加倍，线圈的损耗也要加倍。当电感的输出功率到400瓦，继续增加磁芯的体积，就会降低其效率。
小结：
| 司马冰 (2014-05-23 04:52:27) |
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深入浅出，讲得好，不过不是涉电专业的可能还是看不懂，或者不感兴趣。 |