关于气隙的几个问题
得在刚开始设计磁性器件，做样品的师傅在磨气隙的时候总会抱怨，你这计算值与实际值差距太大了......那也只好一边红着脸灰头土脸的继续试做，一边回去看看怎么修正，所以今天说的第一个问题就是气隙的修正公式。
应该说气隙算错了，还不算严重，因为打样的时候还可以修正。但是因为开气隙烧机了，那就比较尴尬了。可能好多人都会觉得不就开个气隙嘛，怎么会有烧机这么严重的后果。不幸的是我刚毕业的第一个case就是因为开气隙而烧了线圈，那时候自己也烧懵了，还好Navy现场提出临时解决方案，用故障树分析可能的原因，然后给出了后续的改善设计方案。虽然这事最后大事化小，不过还是给我留下了较深的印象。气隙处线圈烧毁无非过压、过流或者过热，如果能排除耐压不良及导线电流密度过大，那么什么原因还能导致过热？是气隙吗？为什么气隙会存储这么多能量以及如何避让？
1.关于气隙的修正公式
在前面曾提到气隙计算的公式并不准确，因为有扩散磁通（扩散磁通已在基本概念中介绍）的存在，导致有效的气隙截面积大于磁芯端面截面积，即等效的气隙截面积增加了，如下图所示。由于等效的气隙截面积增加了，不再等于磁芯中柱的截面积Ae，所以理论计算公式lg=(uo*N^2*Ae)/L 就需要修正了。
对于边长a和b矩形极，有效气隙面积近似为
对于直径为d的圆柱形有效截面积近似为
将修正后的截面积代替理论计算公式中的Ae值，即可得到修正后的气隙计算公式。
2. 关于气隙储能
首先还是从理论计算的角度解释一下为什么电感的绝大多数能量储存在气隙中，而不是磁芯中。
磁路长度包括磁芯的有效长度和气隙的长度，假设在气隙处的磁通密度和磁芯中的磁通密度相等，即Bcore=Bgap，则上式可进行等效变换。
最后一项中左边是储存在磁芯中的能量，右边是储存在气隙中的能量。若lcore/ur<<lgap,则大多能量储存在气隙中。因为铁氧体的相对磁导率一般都在几千左右，故上式成立，即绝大多数能量储存在气隙中。
理论推导固然可信度比较高，但是难以理解，下面就从等效磁路的角度，感性的定性的认识一下这个观点。
没有气隙的等效磁路：
开气隙的等效磁路：
磁通对应电路中的电流，磁阻对应电路中的电阻，因为气隙的磁阻远大于磁芯磁阻，所以电感绝大部分能量都储存在气隙中了。
3. 关于气隙避让
在Ansoft公司的Maxwell 2D中建立仿真模型，从仿真结果中可以磁力线在气隙处会切割导线，导致在气隙处的导线电流密度要远高于其他地方，而且气隙处的导线在骨架的最里层，不容易散热。最简单的处理方法就是避开气隙区域，在靠近气隙的地方填充胶布等绝缘材料，避免气隙处的导线过热。
下面再介绍两种气隙的优化设计方法，一种是分布气隙，另一种是交错气隙。
采用分布气隙时，气隙与气隙之间的磁芯长度及气隙个数是研究的难点。如果气隙之间的磁芯长度很小，则会有部分扩散磁通直接越过气隙之间的磁芯柱，这样就会减弱分布气隙的效果，下图是我用Maxwell 2D做的一个仿真，从仿真结果看，当分布气隙间距为5个小气隙长度，气隙个数为2个比较适宜。
交错气隙是为了进一步减小磁芯窗口磁势，从而减小绕组损耗，其特点是气隙在相邻两个磁芯柱上的相对高度不一样，即气隙呈交错布置，而不是水平布置，如下图所示。从仿真结果可以看出交错气隙的位置对损耗影响也较为明显。
总的来说，简单地气隙避让虽然占空了部分绕线空间，降低了磁芯窗口的利用率，但是制作工艺简单。分布气隙和交错气隙固然好，但是分析起来比较麻烦，且制作复杂，也会增加磁件的成本。所以一般来说，常用的处理方法就是气隙避让。
来源：电力电子技术与新能源
