采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法技术

本发明专利技术涉及采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法，包括：根据圆形利兹线的结构特征，推导得到磁性元件圆形利兹线绕组磁场强度的解析式；结合圆形利兹线特征，构建考虑圆形利兹线内部气隙的损耗密度计算模型；结合圆形利兹线绕组磁场强度模值平方和损耗密度计算模型，积分得到单位长度的单根圆形利兹线绕组的损耗的表达式；利用连续自然数求和法，得到单位长度的圆形利兹线绕组损耗的解析计算模型；利用解析计算模型计算得到利兹线绕组损耗。本发明专利技术实现了高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗的准确快速计算，实用性较高，可有效避免建模过程复杂、模型参数提取困难、数据储存量过大、仿真耗时严重等问题。仿真耗时严重等问题。仿真耗时严重等问题。

【技术实现步骤摘要】
采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法


[0001]本专利技术属于磁性元件电磁特性分析及优化设计领域，具体涉及一种采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法。

技术介绍

[0002]圆形利兹线由于高频集肤效应相对较低而已广泛应用于高频变压器、高频电感器等高频磁性元件绕组的制作当中，但其在高频激励下还是会产生一定量不容忽视的损耗，而该损耗会对高频磁性元件的温升、能量传输效率等产生重要影响。因此，如何准确、快速计算高频磁性元件圆形利兹线绕组的损耗对其全局结构优化设计及其电磁热综合性能提升等方面具有重要现实意义。
[0003]通常可用有限元等数值算法求解高频磁性元件圆形利兹线绕组的损耗，但这种方法需要极大的计算资源与极长的计算时间。因为利兹线内部股线的尺寸较小，且其高频集肤深度同样很小，故需要剖分大量的细小单元才能对其高频损耗进行准确计算。因此，数值模型及其算法实用性不高，并不适用于高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗的准确快速计算与其全局结构优化设计等方面。
[0004]现有广泛应用于高频磁性元件绕组损耗计算的解析模型为Dowell模型，但该模型是针对长箔式绕组而推导得出的。例如，专利号为ZL201910735155.2的中国专利技术公开的考虑端部效应的高频变压器绕组损耗半经验计算方法以Dowell模型为基础，运用有限元法求得数据辨识Dowell模型相关参数，考虑高频变压器端部对长箔式绕组损耗的影响，继而计算考虑端部效应的高频变压器长箔式绕组损耗。这种方法不仅无法适用于圆形利兹线，而且还会因为其运用了有限元仿真而导致其计算量较大，计算过程复杂，因而应用范围较窄，并不适用于高频磁性元件的全局结构优化设计等领域。又如，专利号为ZL201810070552.8的中国专利技术“一种适用于圆导体绕组高频损耗分析与计算方法”提出的绕组高频损耗计算方法仅针对圆形实心导线绕组，并不适用于圆形利兹线，圆形利兹线在结构层面与圆形实心导线有较大区别，同时其并未推导和提出圆导体绕组高频损耗的解析计算模型，所以其应用范围同样有限。
[0005]综上所述，目前尚无高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗的通用解析计算模型。
[0006]因此，研究一种高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗解析计算模型，可为其能量传输效率准确高效评估、全局结构优化设计、电磁热综合性能提升等方面奠定坚实的理论与技术基础，因而具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗解析计算模型，引入极坐标系，根据圆形利兹线的结构特征，推导得到高频磁性元件圆形利兹线绕组磁场强度的解析式，建考虑圆形利兹线内部气隙的损耗密度计算模型，并利用积分法得到单位长度的圆形利兹线绕组损耗的解析计算模型，实现高频磁性元件圆形利兹线绕组
损耗的准确快速计算，避免建模过程复杂、模型参数提取困难、数据储存量过大、仿真耗时严重等问题。
[0008]本专利技术的技术方案是采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：根据圆形利兹线的结构特征，推导得到高频磁性元件圆形利兹线绕组磁场强度的解析式；
[0010]步骤2：在单根实心圆导线损耗计算式的基础上，结合圆形利兹线特征，构建考虑圆形利兹线内部气隙的损耗密度计算模型；
[0011]步骤3：结合圆形利兹线绕组磁场强度模值平方和损耗密度计算模型，积分得到单位长度的单根圆形利兹线绕组的损耗的表达式；
[0012]步骤4：对步骤3得到的单位长度的圆形利兹线绕组的损耗进行连续自然数求和，得到单位长度的圆形利兹线绕组损耗的解析计算模型；
[0013]步骤5：采用步骤4得到的解析计算模型，计算得到利兹线绕组损耗。
[0014]进一步地，步骤1中，高频磁性元件第k层利兹线绕组内部点(r，θ)的磁场强度H的解析式如下：
[0015][0016]式中r为各点与圆形利兹线中心之间的距离；θ为各点与圆形利兹线中心连成的线段和x轴之间的夹角；n为每层圆形利兹线的匝数；I为圆形利兹线电流幅值；h
w
为圆形利兹线绕组高度；r
Litz
为圆形利兹线绕组的半径。
[0017]步骤2中，高频磁性元件第k层第j根利兹线绕组的损耗密度计算模型如下：
[0018][0019]式中P
kj
表示单位长度的高频磁性元件第k层第j根圆形利兹线绕组损耗；S表示面积；β为圆形利兹线绕组的填充系数；ρ为圆形利兹线内部股线的电阻率；r0为圆形利兹线绕组内部股线的半径；参量ζ＝d0/δ，d0为圆形利兹线绕组内部股线的直径；δ为集肤深度；ψ1()、ψ2()分别表示与贝塞尔函数实部、虚部相关的函数；P0表示单根实心圆导线损耗。
[0020]步骤3中，基于数值积分法，推导得到单位长度的高频磁性元件第k层第j根圆形利兹线绕组损耗P
kj
的表达式：
[0021][0022]式中N0为单根利兹线内部股线的总数。
[0023]步骤4中，单位长度的高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗P的解析计算模型：
[0024][0025]式中m为高频磁性元件圆形利兹线的层数，n为单层圆形利兹线的匝数。
[0026]相比现有技术，本专利技术的有益效果是提供一种高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗
解析计算模型，实现了高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗的准确快速计算，实用性较高，可有效避免建模过程复杂、模型参数提取困难、数据储存量过大、仿真耗时严重等问题，可为高频磁性元件能量传输效率准确高效评估、全局结构优化设计、电磁热综合性能提升等方面奠定坚实的理论与技术基础。
附图说明
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0028]图1为本专利技术实施例的高频磁性元件结构及其绕组磁场分布示意图。
[0029]图2为本专利技术实施例的高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗的解析计算模型的推导过程示意图。
[0030]图3a为本专利技术的解析计算模型得到的高频变压器I的交流电阻系数与其实测值的对比示意图。
[0031]图3b为本专利技术的解析计算模型得到的高频变压器II的交流电阻系数与其实测值的对比图。
具体实施方式
[0032]如图2所示，采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法，包括以下步骤：
[0033]步骤1：根据圆形利兹线由多股较小直径的导线即股线交叉缠绕而成，且各股导线均连续地通过圆形利兹线横截面的各个点的结构特征，可认为其电流均匀分布于各股导线，即各股导线的电流大小及分布情况相同，假设其他绕组在圆形利兹线任意位置产生的磁场沿高频磁性元件轴向呈一维分布，继而可推导出高频磁性元件圆形利兹线绕组磁场H的解析公式。
[0034]如图1所示，高频磁性元件第k层第j根圆形利兹线绕组内部各点的磁场强度H可表示为：
[0035]H＝H
ext
+H
int
＝(H本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.采用解析计算模型的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据圆形利兹线的结构特征，推导得到磁性元件圆形利兹线绕组磁场强度的解析式；步骤2：在单根实心圆导线损耗计算式的基础上，结合圆形利兹线特征，构建考虑圆形利兹线内部气隙的损耗密度计算模型；步骤3：结合圆形利兹线绕组磁场强度模值平方和损耗密度计算模型，积分得到单位长度的单根圆形利兹线绕组的损耗的表达式；步骤4：对步骤3得到的单位长度的圆形利兹线绕组的损耗进行连续自然数求和，得到单位长度的圆形利兹线绕组损耗的解析计算模型；步骤5：采用步骤4得到的解析计算模型，计算得到利兹线绕组损耗。2.根据权利要求1所述的磁性元件利兹线绕组损耗计算方法，其特征在于，步骤1中，高频磁性元件第k层第j根圆形利兹线绕组内部点(r,θ)的磁场强度H可表示如下：H＝H
ext
+H
int
＝(H
ext
+H
int
cosθ)
·
e
y
‑
H
int
sinθ
×
e
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中H
ext
、H
int
分别表示其他绕组电流、自身内部电流所产生的磁场强度；θ表示各点与圆形利兹线中心连成的线段和x轴之间的夹角；e
x
、e
y
分别表示沿x轴与y轴的单位向量；H
ext
、H
int
的模值可表示如下：的模值可表示如下：式中Δx表示圆形利兹线绕组内部任意一点距离其最左侧点的水平距离；r
Litz
表示圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘任，卢友好，顾朝阳，陈彬，袁发庭，黄力，姜岚，王爽，唐波，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：