¿Por qué se necesita espacio de aire de retorno para el almacenamiento de energía?

¿Por qué tantas fuentes dicen algo en la línea "ya que un transformador flyback almacena energía, se necesita un espacio de aire"? He visto este razonamiento en libros de texto y notas de aplicaciones.

Pensé que los espacios de aire no pueden almacenar energía y también pensé que un transformador de retorno almacena energía con su inductancia, y un espacio de aire reduce la inductancia, por lo que creo que también reduce la capacidad de un inductor / retorno para almacenar energía.

¿Dónde estoy confundido?

A diferencia de un transformador de topología directa (donde los devanados primario y secundario se conducen al mismo tiempo), el transformador de retorno debe almacenar energía durante el tiempo de encendido del interruptor primario, entregándola a la carga durante el tiempo de apagado del interruptor primario.

Un transformador de topología directa no necesita ningún espacio, ya que la densidad de flujo máximo es función de los voltios-segundos aplicados solamente; la potencia que se entrega 'a través' del transformador no es una variable (aparte de su efecto en el ciclo de trabajo). Es solo la corriente de magnetización la que mueve el núcleo a lo largo de su ciclo de histéresis, lo que no representa ningún riesgo de saturación si todo está bien diseñado, ya que los amperios primarios y secundarios se cancelan entre sí.

Un transformador de retorno no tiene el beneficio de cancelación de amperios-vuelta de un convertidor directo, por lo que todo el la energía primaria mueve el núcleo por su curva de histéresis. El entrehierro aplana la curva de histéresis y permite un mayor manejo de la energía al disminuir la permeabilidad del núcleo. Por supuesto, necesitará agregar más giros para obtener la inductancia deseada en comparación con la ausencia de espacio, pero evita la saturación del núcleo.$\frac{1}{2}LI^2$

El punto clave aquí es que sin un espacio de aire, un inductor se saturará si intentas pasarle corriente, por lo que la inductancia caerá y no podrás almacenar energía.

El término "Transformador Flyback" es un poco engañoso y es más útil considerarlo como inductores acoplados en lugar de un transformador porque la acción es bastante diferente con la energía de un transformador convencional que entra al primario y sale del secundario al mismo tiempo. No almacena energía. Con un transformador "Flyback", la energía se almacena primero y luego se libera.

Tomando algunas cosas que sabemos sobre inductores

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

Donde v es voltaje, i es corriente, N es vueltas, B es densidad de flujo y A es el área magnética efectiva.

también

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

donde H es la fuerza del campo magnético, N es vueltas y l es la longitud del camino magnético

Finalmente permiabilidad

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

Así

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

Ahora podemos calcular la energía

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

Por lo tanto, el almacenamiento de energía solo es posible en el espacio de aire y es proporcional al volumen del espacio de aire y al cuadrado de la densidad de flujo.

Al contrario de lo que piensa la mayoría de las personas, incluido usted mismo, la mayor parte de la energía útil se almacena en la brecha del núcleo.

Para el caso de la ferrita, el espacio se distribuye entre las pequeñas partículas metálicas, por lo que también tiene un espacio efectivo utilizado para los cálculos. Esta brecha linealiza el bucle BH y aumenta el manejo actual antes de la saturación.

Los espacios de aire generalmente se usan por razones de seguridad. Para un transformador de retorno, no desea arcos entre el devanado primario y secundario, y utiliza un espacio de aire.