[發明專利]一種多變壓器電磁解耦與高度磁集成設計方法

有效

• 申請號: 202110088760.2
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112906199B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 李勇;趙英龍;曹一家;姜利;萬江湖;丁超;劉婷
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01F41/00
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 潘素云

1.一種多變壓器電磁解耦與高度磁集成設計方法，其特征在于，包括多變壓器勵磁電感設計、多變壓器電磁解耦設計、外接串聯電感磁集成設計和磁通對消設計；

多變壓器勵磁電感設計：考慮到氣隙邊緣效應，在大氣隙時對多變壓器勵磁電感影響較大，對變壓器氣隙進行建模，得到多變壓器的勵磁電感計算式；

多變壓器電磁解耦設計：將各個變壓器置于高磁阻回路，共用低磁阻回路進行電磁解耦，將各個變壓器的電磁耦合消除，達到多個變壓器電磁解耦的目的；

外接串聯電感磁集成設計：對變壓器的漏感進行建模，得到變壓器漏感的計算式，利用變壓器漏感，將串聯在變壓器繞組上的外接電感集成到變壓器漏感中；

磁通對消設計：利用多變壓器共用低磁阻磁路，將各個變壓器在低磁阻的磁通分為兩組，采用磁通相反的方法，將共用低磁阻的磁通相互抵消；

在多變壓器勵磁電感設計中，首先建立鐵芯的磁路模型；根據鐵芯的主要參數，獲得各個磁阻的計算式，其中對于空氣磁阻，由于氣隙較大，必須考慮氣隙形狀對空氣磁阻的影響：

其中，R1、R2、R3分別為第一側柱、中柱、第二側柱的鐵芯磁阻；R_air1、R_air2、R_air3分別為第一側柱、中柱、第二側柱的空氣磁阻；σ₁、σ₂、σ₃分別為第一側柱、中柱、第二側柱的氣隙長度；u₁、u₀分別為鐵芯磁導率與空氣磁導率，A、B、C、D、E、F為鐵芯參數；

由于中柱不開氣隙，中柱磁阻很低，因此當兩側柱開氣隙時，兩側柱的磁阻遠遠大于中柱的磁阻，這樣，對于第一側柱而言，第二側柱的磁感線被中柱短路；同理，對于第二側柱而言，第一側柱的磁感線被中柱短路；第一側柱的磁感線幾乎不穿過第二側柱，第二側柱的磁感線幾乎不穿過第一側柱，第一側柱和第二側柱依靠低磁阻的中柱，實現了電磁解耦；依靠解耦后的磁路模型，根據麥克斯韋方程組和電路模型，得到變壓器的勵磁電感計算式如下：

這里的N為初級線圈繞組的匝數；L_m1、L_m3為兩側柱變壓器的勵磁電感；上述即為磁集成變壓器的電磁解耦過程，上述式(6)，(7)為磁集成變壓器的勵磁電感設計式；

在外接串聯電感磁集成設計中，建立繞組與磁芯的漏感關系，根據多變壓器的模型，先假設磁場分布均勻，使用能量法計算漏感，在考慮磁場不均勻的修正系數，得到漏感的設計式：

其中，L_r為漏感，a₀為初級線圈與次級線圈的距離，a₁為線圈長度，w為線圈厚度，r為線圈與鐵芯的距離，r₀為鐵芯半徑，D、ρ為中間變量；

式(8)即為磁集成變壓器的漏感設計依據，漏感可代替部分串聯在變壓器上的外接電感，這樣就可將部外接電感用變壓器漏感代替，達到將外接電感集成到變壓器的目的，上述過程即為外接電感集成到變壓器的設計過程。

2.根據權利要求1所述的多變壓器電磁解耦與高度磁集成設計方法，其特征在于，所述多變壓器的結構具體如下：

鐵芯：該鐵芯具有中柱和左右兩邊的第一側柱和第二側柱，側柱可根據被集成變壓器的個數進行調整，其中，中柱不開氣隙，側柱分別開一定的氣隙；

繞組：第一個變壓器的初級繞組和次級繞組繞制在第一側柱上，第二個變壓器的初級繞組和次級繞組繞制在第二側柱上，其他的以此類推；

鐵芯上的兩個變壓器繞組的磁感線分別通過自身的側柱，并共用低磁阻中柱形成各自的回路；其中各個變壓器的磁感線回路在中柱上的方向被控制，使中柱磁路無磁通或者少磁通。

3.根據權利要求1所述的多變壓器電磁解耦與高度磁集成設計方法，其特征在于，在多變壓器電磁解耦設計中，采用共用低磁阻磁路的設計，將各個變壓器磁路開一定的氣隙變為高磁阻磁路，共用一條不開氣隙的低磁阻磁路，實現多個變壓器之間的電磁解耦。

4.根據權利要求1所述的多變壓器電磁解耦與高度磁集成設計方法，其特征在于，在磁通對消設計中，根據電磁解耦后的磁路模型，可知兩個變壓器共用一個低磁阻磁路實現電磁解耦；當兩個或偶數個變壓器并聯或處于相似的運行工況時，將變壓器均分為兩組，一組為正極性的變壓器，一組為負極性的變壓器，這樣可使各個變壓器在低磁阻中柱的磁通，相互抵消，使低磁阻中柱無磁通或含很少的磁通，這可使低磁阻中柱做的很小，并可減少變壓器的損耗，中柱磁通為：

其中，Φ為中柱總磁通，Φ_i為第i側柱磁通；

上述過程即為磁集成變壓器的磁通抵消過程。