Extraction of Fringing-Effect Power Loss from Total Dissipation in Magnetic Component

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_250/33

send Rafał Kasikowski Lodz University of Technology, Faculty of Electrical, Electronic, Computer and Control Engineering, Institute of Electronics, al. Politechniki 10, 93-590 Łódź

Download Article

Abstract

Power magnetics in the energy storage configuration are not able to handle a significant amount of power without the introduction of a physical discontinuity in their magnetic path. This frequently takes the form of a discrete air gap giving rise to certain consequences such as extra power dissipation in the coils mounted on gapped cores. The ascertainment of the impact of the fringing magnetic field at the air gap on the efficiency of power conversion is highly problematic due to the complex nature of the phenomenon. The fringing-effect power loss typically coexists and is combined with all the other power-dissipation mechanisms, which greatly complicates the extraction of losses brought about solely by the fringing flux at the air gap from the total amount of dissipation in a given magnetic component. Magnetic cores of composite materials do not require a discrete air gap, as the air gap in them is distributed throughout the entire material, thus preventing the fringing magnetic flux from forming. However, there is a downside to this approach, as power loss in the material is comparably greater and so are the manufacturing costs. As shown here, distributed-gap-type core materials, due to the absence of physical discontinuity, and hence the lack of registerable fringing-effect power loss, can be utilized to comparatively ascertain and extract the extra power dissipation due to the fringing effect phenomenon in gapped magnetic components.

Keywords

inductors, power losses, thermography, transformer

Wyodrębnienie strat mocy spowodowanych strumieniem rozproszenia z całkowitych strat mocy w elemencie indukcyjnym

Streszczenie

Elementy indukcyjne konwertujące i magazynujące moc elektryczną nie są w stanie przetworzyć znacznej ilości mocy bez wprowadzenia fizycznej nieciągłości w przestrzeń ich obwodów magnetycznych. Przerwa ta często przybiera formę dyskretnej szczeliny powietrznej, co pociąga za sobą pewne następstwa głównie w postaci dodatkowych start mocy w uzwojeniach tak skonstruowanych elementów indukcyjnych. Oszacowanie wpływu rozproszonego pola magnetycznego przy szczelinie powietrznej na sprawność przetwarzania energii jest bardzo problematyczne przede wszystkim ze względu na złożony charakter zjawiska. Ta dodatkowa strata mocy występuje zwykle wspólnie i łączy się z pozostałymi mechanizmami rozpraszania mocy, co znacznie komplikuje ekstrakcję strat spowodowanych wyłącznie przez strumień rozproszonego pola magnetycznego przy szczelinie powietrznej z całkowitej mocy rozproszonej w danym elemencie indukcyjnym. Rdzenie magnetyczne z materiałów kompozytowych nie wymagają dyskretnej szczeliny powietrznej, gdyż szczelina powietrzna jest w nich rozłożona w objętości całego materiału, a tym samym brakuje fizycznego mechanizmu powodującego powstawanie strumienia rozproszenia. Rozwiązanie to ma jednak wadę w postaci zwiększonych strat w materiale rdzenia. Jak zademonstrowano, rdzenie o szczelinie rozproszonej nie wykazują strat mocy spowodowanych strumieniem rozproszenia, a tym samym mogą stanowić podstawę do wyodrębnienia strat mocy wyłącznie z powodu tego zjawiska w elementach indukcyjnych z dyskretną szczeliną powietrzną.

Słowa kluczowe

cewki, dławiki, straty mocy, termografia, transformator

Bibliography

  1. Tian Y., Li Y., Liu J., Fringing Field Analytical Calculation of High Frequency Planar Magnetic Components, “CPSS Transactions on Power Electronics and Applications”, Vol. 7, No. 3, 2022, 251–258, DOI: 10.24295/CPSSTPEA.2022.00023.
  2. Kasikowski R., Więcek B., Fringing-Effect Losses in Inductors by Thermal Modelling and Thermographic Measurements, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 36, No. 9, 2021, 9772–9786, DOI: 10.1109/TPEL.2021.3058961.
  3. Zaikin I.D., Round and Tubular Wire Skin Effect Modeling and Usage SPICE as Maxwell’s Equations Solver. [In:] 23rd Telecommunications Forum Telfor (TELFOR), Belgrade, Serbia, 2015, DOI: 10.1109/TELFOR.2015.7377551.
  4. Ngo K.D.T., Lu M., Analytical Calculation of Proximity-Effect Resistance for Planar Coil With Litz Wire and Ferrite Plate in Inductive Power Transfer, “IEEE Transactions on Industry Applications”, Vol. 55, No. 3, 2019, 2984–2991, DOI: 10.1109/TIA.2018.2890366.
  5. Ferroxcube Data Handbook, Soft Ferrites and Accessories, Ferroxcube, 2013, 120–121.
  6. Steinmetz C.P., On the Law of Hysteresis, “Transactions of the American Institute of Electrical Engineers”, Vol. 4, No. 1, 1892, 1–64, DOI: 10.1109/T-AIEE. 1892.5570437.
  7. Albach M., Durbaum T., BrockmeyerT., Calculating Core Losses in Transformers for Arbitrary Magnetizing Currents, A Comparison of Different Approaches. [In:] 27th Annual IEEE Power Electron. Specialists Conf., Baveno, Italy, 1996, DOI: 10.1109/PESC.1996.548774.