Por que o espaço aéreo de retorno é necessário para armazenamento de energia?

Por que tantas fontes dizem algo no sentido "uma vez que um transformador flyback armazena energia, é necessário um espaço de ar"? Eu já vi esse raciocínio em livros didáticos e notas de aplicativos.

Eu pensei que as folgas de ar não podem armazenar energia e também pensei que um transformador de flyback armazena energia com sua indutância, e uma folga de ar reduz a indutância, então eu acho que também reduz a capacidade de um indutor / flyback de armazenar energia.

Onde estou confuso?

Diferentemente de um transformador de topologia direta (onde os enrolamentos primário e secundário estão conduzindo ao mesmo tempo), o transformador de retorno deve armazenar energia durante o interruptor principal em tempo útil, entregando-o à carga durante o tempo de desligamento do interruptor principal.

Um transformador de topologia direta não precisa de nenhum espaço, pois a densidade de pico de fluxo é uma função apenas dos volt-segundos aplicados; a energia que está sendo fornecida 'através' do transformador não é uma variável (além do efeito no ciclo de trabalho). É apenas a corrente de magnetização que move o núcleo ao longo de seu ciclo de histerese, que não apresenta nenhum risco de saturação se tudo estiver bem projetado, uma vez que as curvas de amperagem primária e secundária se cancelam.

Um transformador de retorno reverso não possui o benefício de cancelamento de volta em ampère de um conversor para frente; portanto, a energia primária move o núcleo na sua curva de histerese. A folga de ar nivela a curva de histerese e permite mais manuseio de energia, diminuindo a permeabilidade do núcleo. Obviamente, você precisará adicionar mais voltas para obter a indutância desejada em comparação com o não-gap, mas evita a saturação do núcleo.$\frac{1}{2}LI^2$

O ponto principal aqui é que, sem uma folga de ar, um indutor saturará se você tentar colocar alguma corrente nele, para que a indutância caia e você não possa armazenar energia.

O termo "Transformador Flyback" é um pouco enganador e é mais útil considerá-lo como indutor acoplado do que como transformador, porque a ação é bem diferente de uma energia convencional do transformador que entra no primário e sai do secundário ao mesmo tempo. não armazena energia. Com um transformador "Flyback", a energia é armazenada e depois liberada.

Tomando algumas coisas que sabemos sobre indutores

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

Onde v é tensão, i é corrente, N é espiras, B é densidade de fluxo e A é a área magnética efetiva.

Além disso

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

onde H é a força do campo magnético, N são voltas e l é o comprimento do caminho magnético

Finalmente permiabilidade

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

portanto

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

Agora podemos calcular energia

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

Portanto, o armazenamento de energia só é possível no espaço de ar e é proporcional ao volume do espaço de ar e ao quadrado da densidade do fluxo.

Ao contrário do que a maioria das pessoas pensa, inclusive você, a maior parte da energia útil é armazenada na brecha do núcleo.

Para o caso da ferrita, a folga é distribuída entre as minúsculas partículas metálicas, e também possui uma folga efetiva usada para cálculos. Essa lacuna lineariza o loop BH e aumenta o manuseio atual antes da saturação.

As folgas de ar são geralmente usadas por considerações de segurança. Para um transformador flyback, você não deseja arcos entre o enrolamento primário e secundário e usa um espaço de ar.