一种考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电力电子与电力传动技术领域，尤其是指一种考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法及装置。本发明专利技术通过计算第p层绕组外侧表面和内侧表面坡印廷矢量的积分面积的差值获取第p层绕组内部所消耗的瞬时功率，第p层绕组外侧表面或内侧表面坡印廷矢量的积分面积，为孔隙率、所述第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度、绕组总高度和第p层绕组外周长或内周长的乘积；本发明专利技术通过坡印廷矢量计算瞬时功率的方法使得考虑实际匝长成为可能，相对于以往使用平均匝长的方法，使得漏感、交流电阻和直流电阻计算结果更为准确，从而准确调整初级绕组规格参数，设计出符合电路要求的高频变压器。要求的高频变压器。要求的高频变压器。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法及装置


[0001]本专利技术涉及电力电子与电力传动
，尤其是指一种考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法及装置。

技术介绍

[0002]高频变压器是高频开关电源中的一个最为常用的元件。随着工作频率的提高，高频变压器的绕组中会产生趋肤效应和邻近效应，这将使得高频变压器的电阻偏离其直流电阻而产生交流电阻，同时变压器的漏感也将收到频率的影响。变压器的漏感随频率的变化关系需要严格确定，因为它将影响整个开关电源的谐振技术、软开关技术和体积等重要技术指标。同时，变压器的直流电阻和交流电阻的预测也是尤为总要的，因为它直接关系到开关电源在高频工作条件下的功率损耗或者效率的计算。任何开关电源设计者在设计高频变压器之前都需要通过对这三个寄生元件进行测量，从而对高频变压器的性能进行预测，以充分提高整体系统的效率和功率密度。
[0003]然而，目前的多种研究成果所面临的问题是高频变压器的漏感、交流电阻和直流电阻的计算表达式均使用了平均的绕线匝长。实际上，随着绕组层数的增加，层与层之间的匝长将有很大不同，计算时使用平均匝长只会给预测结果带来误差，进而影响基于漏感、交流电阻与直流电阻对初级绕组规格参数的调整。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中由于未考虑实际匝长导致漏感、交流电阻和直流电阻的测量不准确，进而导致设计的高频变压器规格参数不符合电路要求的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法，包括：
[0006]获取圆导线型高频变压器初级绕组的规格参数与输入的交流电流的工作频率，输入交流电阻计算模型与漏感计算模型中，获取当前工作频率下，初级绕组产生的交流电阻阻值与漏感值；
[0007]获取圆导线型高频变压器初级绕组的规格参数与输入的直流电流的电流值，输入直流电阻计算模型中，获取初级绕组产生的直流电阻阻值；
[0008]根据交流电阻阻值、漏感值与直流电阻阻值，调节初级绕组的规格参数，以便设计出符合电子电力电路要求的高频变压器；
[0009]所述交流电阻计算模型、漏感计算模型与直流电阻计算模型获取过程包括：
[0010]将圆导线型初级绕组等效为具有同等横截面积的矩形导线绕组；
[0011]当初级绕组中通以交流电流时，利用麦克斯韦方程组的相量形式计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度；
[0012]当初级绕组中通以直流电流时，利用时域内的麦克斯韦方程组计算第p层绕组外
侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度；
[0013]根据第p层绕组在外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度的乘积，得到第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度；
[0014]根据绕组垂直方向的线积分、孔隙率和第p层绕组外周长或内周长的乘积，得到第p层绕组外侧表面或内侧表面的微元面积；
[0015]根据第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度和微元面积计算第p层绕组外侧表面或内侧表面坡印廷矢量的积分面积，得到流入第p层绕组外侧表面或流出第p层绕组内侧表面的瞬时功率，为孔隙率、所述第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度、绕组总高度和第p层绕组外周长或内周长的乘积；
[0016]根据第p层绕组外侧表面坡印廷矢量的积分面积与第p层绕组内侧表面坡印廷矢量的积分面积的差值，得到第p层绕组内部所消耗的瞬时功率；
[0017]当通以交流电流时，计算初级绕组消耗的总瞬时功率，根据总瞬时功率的实部获取交流电阻计算模型，表示为：
[0018][0019]根据总瞬时功率的虚部获取漏感计算模型，表示为：
[0020][0021]当通以直流电流时，计算初级绕组消耗的总瞬时功率，根据总瞬时功率获取直流电阻计算模型，表示为：
[0022][0023]其中，m表示初级绕组的层数，N
l
表示初级绕组每一层的匝数，l
T
表示初级绕组每一匝绕组的实际长度；σ表示初级绕组导线的电导率，b表示初级绕组的总高度，h表示初级绕组的总厚度，表示穿透率，δ
′
w
表示趋肤深度，ω表示角频率，满足ω＝2πf，f为输入的交流电流的工作频率；h表示第p层矩形导线绕组宽度，u表示绕组之间绝缘层的厚度。
[0024]优选地，所述当绕组中通以交流电流时，利用麦克斯韦方程组的相量形式计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度
[0025][0026][0027]其中，其中，表示交流电流大小，N
l
表示每一层绕组中导线的匝数，b表示绕组总高度，为圆导线型绕组的趋肤深度，f表示交流电流的工作频率，μ
cu
表示初级绕组导线的磁导率，η表示孔隙率，σ表示电导率，j表示，x＝0/h,h表示第p层矩形导线绕组宽度，当x＝0时，计算得到第p层绕组内侧表面处的磁场强度和电场强度，当x＝h时，计算得到第p层绕组外侧表面处的磁场强度和电场强度。
[0028]优选地，所述当绕组中通以直流电流时，利用时域内的麦克斯韦方程组计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度H
z
(x)和电场强度E
y
：
[0029][0030][0031]其中，η表示孔隙率，J表示电流密度，σ表示电导率，H0表示第一层初级绕组外侧表面磁场强度，N
l
表示每一层绕组中导线的匝数，I表示直流电流大小,b表示绕组总高度，x＝0/h,h表示第p层矩形导线绕组宽度，当x＝0时，计算得到第p层绕组内侧表面处的磁场强度和电场强度，当x＝h时，计算得到第p层绕组外侧表面处的磁场强度和电场强度。
[0032]优选地，所述根据绕组垂直方向的线积分、孔隙率和第p层绕组外周长或内周长的乘积，得到第p层绕组外侧表面或内侧表面的微元面积为：
[0033]第p层绕组内侧表面的微元面积
[0034]第p层绕组外侧表面的微元面积
[0035]其中，a
x
为水平方向的单位矢量，第p层绕组内周长l
x＝0
＝2π[r+(p
‑
1)(h+u)]，第p层绕组外周长l
x＝h
＝2π[r+ph+(p
‑
1)u]，r是磁芯的半径，h表示第p层矩形导线绕组宽度，u表示绕组之间绝缘层的厚度。
[0036]优选地，所述根据第p层绕组外侧表面坡印廷矢量的积分面积与第p层绕组内侧表面坡印廷矢量的积分面积的差值，得到第p层绕组内部所消耗的瞬时功率：
[0037][0038]其中，为当通以交流电流或直流电流时，第p层绕组外侧表面或内侧表面坡印廷矢量，为当通以交流电流或直流电流时，第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度，η为孔隙率，b为绕组总高度。
[0039]优选地，所述当通以交流电流时，计算初级绕组消耗的总瞬时功率，根据总瞬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法，其特征在于，包括：获取圆导线型高频变压器初级绕组的规格参数与输入的交流电流的工作频率，输入交流电阻计算模型与漏感计算模型中，获取当前工作频率下，初级绕组产生的交流电阻阻值与漏感值；获取圆导线型高频变压器初级绕组的规格参数与输入的直流电流的电流值，输入直流电阻计算模型中，获取初级绕组产生的直流电阻阻值；根据交流电阻阻值、漏感值与直流电阻阻值，调节初级绕组的规格参数，以便设计出符合电子电力电路要求的高频变压器；所述交流电阻计算模型、漏感计算模型与直流电阻计算模型获取过程包括：将圆导线型初级绕组等效为具有同等横截面积的矩形导线绕组；当初级绕组中通以交流电流时，利用麦克斯韦方程组的相量形式计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度；当初级绕组中通以直流电流时，利用时域内的麦克斯韦方程组计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度；根据第p层绕组在外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度的乘积，得到第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度；根据绕组垂直方向的线积分、孔隙率和第p层绕组外周长或内周长的乘积，得到第p层绕组外侧表面或内侧表面的微元面积；根据第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度和微元面积计算第p层绕组外侧表面或内侧表面坡印廷矢量的积分面积，得到流入第p层绕组外侧表面或流出第p层绕组内侧表面的瞬时功率，为孔隙率、所述第p层绕组外侧表面或内侧表面处的功率流密度、绕组总高度和第p层绕组外周长或内周长的乘积；根据第p层绕组外侧表面坡印廷矢量的积分面积与第p层绕组内侧表面坡印廷矢量的积分面积的差值，得到第p层绕组内部所消耗的瞬时功率；当通以交流电流时，计算初级绕组消耗的总瞬时功率，根据总瞬时功率的实部获取交流电阻计算模型，表示为：根据总瞬时功率的虚部获取漏感计算模型，表示为：当通以直流电流时，计算初级绕组消耗的总瞬时功率，根据总瞬时功率获取直流电阻计算模型，表示为：
其中，m表示初级绕组的层数，N
l
表示初级绕组每一层的匝数，l
T
表示初级绕组每一匝绕组的实际长度；σ表示初级绕组导线的电导率，b表示初级绕组的总高度，h表示初级绕组的总厚度，表示穿透率，δ
′
w
表示趋肤深度，ω表示角频率，满足ω＝2πf，f为输入的交流电流的工作频率；h表示第p层矩形导线绕组宽度，u表示绕组之间绝缘层的厚度。2.根据权利要求1所述的考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法，其特征在于，所述当绕组中通以交流电流时，利用麦克斯韦方程组的相量形式计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度和电场强度和电场强度和电场强度其中，其中，表示交流电流大小，N
l
表示每一层绕组中导线的匝数，b表示绕组总高度，为圆导线型绕组的趋肤深度，f表示交流电流工作频率，μ
cu
表示初级绕组导线的磁导率，η表示孔隙率，σ表示电导率，j表示复数中虚数的单位，x＝0/h,h表示第p层矩形导线绕组宽度，当x＝0时，计算得到第p层绕组内侧表面处的磁场强度和电场强度，当x＝h时，计算得到第p层绕组外侧表面处的磁场强度和电场强度。3.根据权利要求1所述的考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法，其特征在于，所述当绕组中通以直流电流时，利用时域内的麦克斯韦方程组计算第p层绕组外侧表面或内侧表面处的磁场强度H
z
(x)和电场强度E
y
：：其中，η表示孔隙率，J表示电流密度，σ表示电导率，H0表示第一层初级绕组外侧表面磁场强度，N
l
表示每一层绕组中导线的匝数，I表示直流电流大小,b表示初级绕组总高度，x＝0/h,h表示第p层矩形导线绕组宽度，当x＝0时，计算得到第p层绕组内侧表面处的磁场强度和电场强度，当x＝h时，计算得到第p层绕组外侧表面处的磁场强度和电场强度。4.根据权利要求1所述的考虑实际匝长的圆导线型高频变压器设计方法，其特征在于，所述根据绕组垂直方向的线积分、孔隙率和第p层绕组外周长或内周长的乘积，得到第p层
绕组外侧表面或内侧表面的微元面积为：第p层绕组内侧表面的微元面积第p层绕组外侧表面的微元面积其中，a
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶雪慧，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：