位移电流引起的磁性元件杂散磁场分布特性研究开题报告

1.研究背景

提出“位移电流”的假说是麦克斯韦理论的基石。这一假设继电磁感应现象发现之后更加深入地揭示了电现象与磁现象之间的联系。是建立麦克斯韦方程组的一个重要依据，即麦克斯韦-安培方程。利用这个方程，麦克斯韦推导出电磁波方程，得出位移电流对于电磁波的存在是基要的，并将电学、磁学和光学联结成一个统一理论。这创举现在已被物理学术界公认为物理学史的重大里程碑。同时，他也解释了位移电流与传导电流两者的差别，为静电流高斯定理和安培环路定理提供了依据[1]。

“位移电流”是一种特殊的电流，是麦克斯韦解决矛盾以假说形式首先提出，后来又经实验验证的。1861年，麦克斯韦对磁场变化产生感应电动势的现象作出了深入分析，大胆设想：即使不存在导体回路，变化的磁场也会在其周围激发一种感应电场。随之第一次提出了“位移电流”的概念，认为安培环路定理只有加入“位移电”这一项，才可使之与法拉第电磁感应定律具有对称性。1862年，他发表了”论物理的力线“进一步论述了”位移电流”。在此之前，人们讨论电流产生磁场时，只指传导电流。麦克斯韦发现：在连接着交变电源的电容器中，电介质内并不存在传导电流，却存在着磁场。他对比了在电场作用下导体内和电介质内所发生的过程，肯定了在变化的电场作用下，电介质内也会有一种能够产生磁场效应的特殊“电流”。他指出：只要有电动力作用于导体上，就会产生出传导电流，而电动力作用于电介质时，则会使电介质内的分子产生极化，一端显正电，另一端显负电。随着电场的变化，这种极化状态也发生变化，这种变化对于整个电介质的影响，是引起电荷在一定方向上总位移的不断变化，这就是所谓的”位移电流”，他和传导电流一样能激发磁场，“位移电流’的大小与电场随时间的变化率成正比[2-4]。

同时，由于“位移电流”的影响，线性电感器在高频和低频时，表现出不同的电磁特性[9-10]。因此，有必要对在高频下的磁场的分布特性进行研究，来完善铁磁性设备的电磁兼容。

电磁兼容是指设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能同时执行各自功能的共存状态[8]。他主要包括2个方面的内容:一是设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；二是设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰[5]。

一般电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成，当电路中有电压存在的时候，在所有带电的元器件周围都会产生电场，当电路中有电流流过的时候，在所有载流体的周围都存在磁场。

电容器是电场最集中的元件，流过电容器的电流是位移电流，这个位移电流是由于电容器的两个夹板带电，并在两个极板之间产生电场，通过电场感应，两个极板会产生冲放电，形成位移电流。而位移电流能激发出磁场，会对元件本身产生电磁干扰。就一般的螺线型电感器而言，在高频的环境下会表现出很强的电容特性，且电容中会产生由位移电流而激发出的磁场，这个激发磁场会对原有的磁场产生电磁干扰。因此有必要对电感中的寄生电容进行提取，同时对其磁场的分布特性进行研究。

2.国内外研究现状

国内外学者对电感器寄生电容的提取做了一定的研究，按照提取方法的不同可分为阻抗测试法、解析计算法与数值计算法三类[6]。其中，阻抗测试法是通过对已经制作完成的电感器进行端口阻抗测量，通过分析其等效电路，对电感器各个等效参数进行提取的方法，计算出电感器等效寄生电容[6-7]。该方法得到的模型通常能达到较高的精度，但该方法仅适合于已有电感器实物的情况，无法再电感器设计初期阶段使用，而且仪器实测的精确度直接与模型的精确度有关。解析计算法是将电感器划分为多个细小同类微元内近似使用平行板电容器计算公式来的出寄生电容。其不足之处在于，分析过程中采用了一些近似处理与假设，如最小电场路径假设等，实际情况可能并不合理。此外，由于电感器由于电感器结构与绕线类型多种多样，某种电感器的寄生电容计算公式往往不能直接适用于其他形式的电感器，因此其通用性并不强。

近年来，数值计算法凭借其高精度、适用范围广等特点，正逐渐成为研究热点，其中在电感器寄生电容提取中使用最多的是有限元法（finiteelementmethod，FEM）[6-7]。一般来说，电磁场问题有限元法建模计算量大，仿真时间长。在电感匝数较多、线圈结构复杂时，需要对复杂的电感模型进行网络划分，并计算庞大的寄生电容网络，使得模型精确度难以得到保证，仿真过程对计算资源要求更加苛刻[7]。因此，模型的合理建立原则与简化方法在实际运用中非常关键，需要对电感的有限元建模进行合理而有效的简化，从而提高有限元仿真的实际应用价值[6]。