[發明專利]考慮磁芯磁場分布的高頻繞組交流電阻系數計算方法

在審

• 申請號: 202310088952.2
• 申請日: 2023-02-03
• 公開（公告）號: CN116305807A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 彭陳仡;陳國棟;宋晉峰;王伯榮
• 申請（專利權）人: 上海電氣集團股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/15
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

本發明公開了一種考慮磁芯磁場分布的高頻繞組交流電阻系數計算方法，其特征在于，包括以下步驟：根據磁芯磁場分布和窗口磁場分布規律，定義綜合系數；將綜合系數引入高頻繞組交流電阻系數計算公式，從而構建新的高頻繞組交流電阻系數解析計算模型；確定綜合系數關于相關影響因素的表達式；獲得待評估對象的參數值，確定綜合系數的具體數值；用新的高頻繞組交流電阻系數解析計算模型，基于綜合系數的具體數值計算得到待評估對象的交流電阻系數。和傳統的解析模型相比，采用本發明模型可以取得精度更高的交流電阻系數評估結果，從而實現更準確的損耗預估。

技術領域

本發明涉及一種高頻繞組交流電阻系數的計算方法，應用于電力電子變換裝置的高頻磁性元件中。

背景技術

隨著第三代功率半導體技術的成熟，電力電子變換裝置展現出日益明顯的高頻化趨勢。高頻繞組和磁芯構成的感性磁性元件不僅關系著電力電子裝置的電氣性能，對裝置的損耗也有直接影響。隨著頻率提高，導體的渦流效應愈發明顯。在鄰近效應和集膚效應的共同作用下，高頻繞組內電流密度分布不均勻，等效交流電阻增加，渦流損耗增大。高頻繞組一般采用箔式、利茲線等式樣的導體，以減小導體內的渦流損耗。

由于高頻繞組損耗取決于各頻率下繞組電流和繞組等效交流電阻的乘積，而等效交流電阻又可以表達為單頻率下交流電阻系數和直流電阻的乘積。因此，準確計算高頻繞組交流電阻系數對開展高頻繞組損耗評估和優化具有重要意義。

目前可以采用數值計算法和解析計算法開展高頻繞組交流電阻系數評估。在實際使用中，數值計算法有較大局限性，其計算結果的準確性高度依賴于模型的精準度和網格剖分質量。高頻繞組結構復雜，例如：大功率場合，感性元件的高頻繞組由幾十根至幾千根彼此絕緣的導電絲絞合而成。采用數值法計算時需要建立準確的導線絞合模型，并基于導體的高頻集膚深度開展網格剖分，計算代價巨大，計算成本過高。

采用解析計算法開展高頻繞組交流電阻系數評估，通用方法有兩類：Dowell法和貝塞爾方程法。Dowell方法基于實心圓導體搭建計算模型，適用于扁線式和箔式繞組評估。Dowell方法的相關研究可以參考《Effects?of?Eddy?Currents?in?TransformerWindings》、公開號為CN107992714B的專利《一種適用于圓導體繞組高頻損耗分析與計算方法》。貝塞爾方程法基于電流密度的求解預估交流電阻系數，模型考慮了導體填充系數的影響，適用于利茲線繞組評估。貝塞爾方程法的相關研究可以參考《Improved?AnalyticalModeling?of?Conductive?Losses?in?Magnetic?Components》、《Accurate?AnalyticalModel?of?Winding?Losses?in?Round?Litz?Wire?Windings》。貝塞爾方程法的具體建模原理見圖1。

和數值法相比，以Dowell法和貝塞爾方程法為代表的解析方法可以快速計算高頻繞組的交流電阻系數。解析方法的不足在于，為了求解出電磁場方程的唯一解，解析法在模型搭建和邊界條件定義中引入了和實際條件不符合的假設，導致解析法計算結果準確性不足，計算值和測量值之間存在偏差。

以Dowell法和貝塞爾方程法為代表的解析方法引入的假設包括，如圖2所示，當基于電流連續性方程計算不同繞組之間的外鄰近效應磁場He時，假設磁芯磁導率無窮大，磁芯磁場分布為零，從而該外鄰近效應磁場He假設等于窗口磁場H1。引入的假設還包括，認為繞組之間緊密布置，且繞組緊貼磁芯繞制?；谏鲜龅倪@些假設，可以得出進一步的假設條件，即窗口磁場是僅僅和繞組層數有關的均勻磁場。基于窗口磁場是僅僅和繞組層數有關的均勻磁場的假設，搭建Dowell法或者貝塞爾方程法的高頻繞組交流電阻系數解析計算模型。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：傳統高頻繞組交流電阻系數解析計算模型中，假設了磁芯磁場為零，繞組緊密布置且緊貼磁芯繞制，窗口磁場分布僅和繞組層數有關，和實際情況不符，使得高頻繞組交流電阻系數計算結果和測量值之間存在偏差。