Warum wird ein Sperrluftspalt für die Energiespeicherung benötigt?

Warum sagen so viele Quellen etwas in diese Richtung? "Da ein Flyback-Transformator Energie speichert, wird ein Luftspalt benötigt." Ich habe diese Argumentation in Lehrbüchern und App-Notizen gesehen.

Ich dachte, Luftspalte können keine Energie speichern, und ich dachte, auch ein Flyback-Transformator speichert Energie mit seiner Induktivität, und ein Luftspalt verringert die Induktivität, also würde ich denken, dass es auch die Fähigkeit eines Induktors / Flybacks verringert, Energie zu speichern.

Wo bin ich verwirrt?

Im Gegensatz zu einem Vorwärts-Topologie-Transformator (bei dem die Primär- und Sekundärwicklung gleichzeitig leitend sind) muss der Flyback-Transformator während der Einschaltzeit des Primärschalters Energie speichern und diese während der Ausschaltzeit des Primärschalters an die Last abgeben.

Ein Vorwärts-Topologie-Transformator benötigt keine Lücke, da die Spitzenflussdichte nur eine Funktion der angelegten Voltsekunden ist; Die Leistung, die durch den Transformator abgegeben wird, ist keine Variable (abgesehen von der Auswirkung auf das Tastverhältnis). Es ist nur der Magnetisierungsstrom, der den Kern entlang seiner Hystereseschleife bewegt, was kein Sättigungsrisiko darstellt, wenn alles gut ausgelegt ist, da sich die primäre und die sekundäre Amperewindung gegenseitig aufheben.

Ein Flyback-Transformator hat nicht die Ampere-Turn-Annullierung eines Vorwärtswandlers, also die gesamte Primärenergie bewegt den Kern auf seiner Hysteresekurve. Der Luftspalt glättet die Hysteresekurve und ermöglicht ein besseres Energiehandling durch Verringern der Permeabilität des Kerns. Sie müssen natürlich mehr Windungen hinzufügen, um die gewünschte Induktivität im Vergleich zu einer lückenlosen zu erhalten, aber Sie vermeiden die Kernsättigung.$\frac{1}{2}LI^2$

Der entscheidende Punkt hierbei ist, dass ein Induktor ohne Luftspalt gesättigt wird, wenn Sie versuchen, Strom durch ihn zu speisen, sodass die Induktivität sinkt und Sie keine Energie speichern können.

Der Begriff "Flyback-Transformator" ist ein wenig irreführend und es ist nützlicher, ihn als gekoppelte Induktivitäten und nicht als Transformator zu betrachten, da die Wirkung bei einem herkömmlichen Transformator sehr unterschiedlich ist, wenn Energie gleichzeitig in die Primär- und die Sekundärwicklung fließt speichert keine Energie. Bei einem "Flyback" Transformator wird zuerst Energie gespeichert und dann wieder abgegeben.

Nehmen wir einige Dinge, die wir über Induktivitäten wissen

$$v = L \frac{di}{dt} = N A \frac {dB}{dt}$$

Wo v Spannung ist, i Strom ist, N Windungen ist, B Flussdichte ist und A die effektive magnetische Fläche ist.

Ebenfalls

$$H = \frac {N \ i}{l} \Rightarrow i = \frac {H \ l}{N}$$

wobei H die magnetische Feldstärke ist, N Windungen sind und l die magnetische Weglänge ist

Endlich Durchlässigkeit

$$\mu = \frac {B}{H} \Rightarrow H = \frac {B}{\mu}$$

Somit

$$i = \frac{B \ l}{\mu \ N}$$

Jetzt können wir Energie berechnen

$$\begin{align} Energy & = \int{i \ v} \ dt\\ & = \int{\left( \frac{B \ l}{\mu \ N} \right) \ \left( N A \frac {dB}{dt} \right)} \ dt\\ & = \frac {A \ l}{\mu}\int{B} \ dB\\ & = \frac {A \ l}{\mu}\frac{B^2}{2}\\ \end{align}$$

Der Energiespeicher ist daher nur im Luftspalt möglich und proportional zu Luftspaltvolumen und Quadrat der Flussdichte.

Im Gegensatz zu dem, was die meisten Leute denken, auch Sie selbst, wird der größte Teil der nützlichen Energie in der Lücke des Kerns gespeichert.

Für den Fall von Ferrit ist der Spalt zwischen den winzigen Metallpartikeln verteilt, so dass auch dieser als effektiver Spalt für Berechnungen verwendet wird. Diese Lücke linearisiert die BH-Schleife und erhöht die Strombelastbarkeit vor der Sättigung.

Luftspalte werden normalerweise aus Sicherheitsgründen verwendet. Bei einem Flyback-Transformator möchten Sie keine Lichtbögen zwischen Primär- und Sekundärwicklung und keinen Luftspalt verwenden.