Perché è necessario il traferro del flyback per lo stoccaggio di energia?

Perché così tante fonti dicono qualcosa del genere "poiché un trasformatore flyback immagazzina energia, è necessario un gap d'aria"? Ho visto questo ragionamento nei libri di testo e nelle note dell'app.

Pensavo che i gap d'aria non potessero immagazzinare energia e ho pensato che anche un trasformatore flyback immagazzina energia con la sua induttanza, e un gap d'aria riduce l'induttanza, quindi penso che riduca anche la capacità di un induttore / flyback di immagazzinare energia.

Dove sono confuso?

A differenza di un trasformatore per topologia in avanti (in cui gli avvolgimenti primario e secondario conducono contemporaneamente), il trasformatore flyback deve immagazzinare energia durante il tempo di accensione primario, consegnandolo al carico durante il tempo di spegnimento primario.

Un trasformatore per topologia in avanti non ha bisogno di alcun gap poiché la densità del flusso di picco è una funzione dei soli volt-secondi applicati; la potenza erogata "attraverso" il trasformatore non è una variabile (a parte il suo effetto sul ciclo di lavoro). È solo la corrente magnetizzante che sposta il nucleo lungo il suo ciclo di isteresi, che non comporta alcun rischio di saturazione se tutto è ben progettato, poiché gli ampere-giri primari e secondari si annullano a vicenda.

Un trasformatore flyback non ha il vantaggio della cancellazione in ampere-turn di un convertitore forward, quindi l'intero energia primaria sposta il nucleo verso l'alto nella sua curva di isteresi. Il traferro appiattisce la curva di isteresi e consente una maggiore gestione dell'energia riducendo la permeabilità del nucleo. Ovviamente dovrai aggiungere più giri per ottenere l'induttanza desiderata rispetto al no-gap, ma eviti la saturazione del core.$\frac{1}{2}LI^2$

Il punto chiave qui è che senza un gap d'aria un induttore si saturerà se provi a far passare corrente attraverso di essa, quindi l'induttanza cadrà e non potrai accumulare energia.

Il termine "Flyback Transformer" è un po 'fuorviante ed è più utile considerarlo come induttori accoppiati piuttosto che un trasformatore perché l'azione è abbastanza diversa con un trasformatore convenzionale che l'energia sta andando nel primario e fuori dal secondario allo stesso tempo non immagazzina energia. Con un trasformatore "Flyback" l'energia viene prima immagazzinata e poi rilasciata.

Prendendo alcune cose che sappiamo sugli induttori

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

Dove v è tensione, i è corrente, N è giri, B è densità di flusso e A è l'area magnetica effettiva.

Anche

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

dove H è la forza del campo magnetico, N è la curva e l la lunghezza del percorso magnetico

Finalmente permeabilità

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

così

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

Ora possiamo calcolare l'energia

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

L'accumulo di energia è quindi possibile solo nel traferro ed è proporzionale al volume del traferro e al quadrato della densità del flusso.

Contrariamente a quanto la maggior parte delle persone pensa, incluso te stesso, la maggior parte dell'energia utile viene immagazzinata nel gap del nucleo.

Nel caso della ferrite, il divario viene distribuito tra le minuscole particelle metalliche, quindi ha anche un gap efficace utilizzato per i calcoli. Questo gap linearizza il loop BH e aumenta la gestione corrente prima della saturazione.

Le intercapedini d'aria sono generalmente utilizzate per considerazioni di sicurezza. Per un trasformatore flyback, non si vogliono archi tra l'avvolgimento primario e secondario e si utilizza uno spazio vuoto.