申请/专利权人：三峡大学

申请日：2022-04-28

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN114970432B

主分类号：G06F30/373

分类号：G06F30/373;H01F41/00;H01F41/02;H01F41/06;G06F111/04;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2022.09.16#实质审查的生效;2022.08.30#公开

摘要：一种多绕组共铁芯磁集成高频变压器设计方法，包括以下步骤：推导出非正弦激励下多绕组变压器铁芯损耗表达式Pc，采用基波分析法推导非正弦激励下的初、次级绕组损耗表达式Pw_pri、Pw_sec，根据面积乘积法选择铁芯型号；推导出利兹线最优股径dstr_opt和股数k的计算表达式；提取出均质化等效后的利兹线交流电阻系数和漏电感；确定多绕组共铁芯磁集成高频变压器的设计参数；以损耗P和漏电感Lσ1为优化目标，以温升为约束条件，以隔离间距为自变量，通过正交试验法对进行优化设计。本发明设计方法能应用于多绕组结构、利兹线的多绕组共铁心磁集成变压器的优化设计，可以对利兹线建模进行简化，分析多绕组结构的交流电阻系数和漏电感，减少了优化设计中的计算量。

主权项：1.一种多绕组共铁芯磁集成高频变压器设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：推导出非正弦激励下多绕组变压器铁芯损耗表达式Pc，采用基波分析法推导非正弦激励下的初、次级绕组损耗表达式Pw_pri、Pw_sec，选择铁芯型号；步骤2：推导出利兹线最优股径dstr_opt和股数k的计算表达式；步骤3：提取出均质化等效后的利兹线交流电阻系数和漏电感参数；步骤4：确定多绕组共铁芯磁集成高频变压器的设计参数；步骤5：以总的绕组损耗Pw和步骤3提取出的漏电感Lσ1为优化目标，以温升为约束条件，以隔离间距为自变量，通过正交试验法对进行优化设计；所述步骤1中，结合改进的Steinmetz公式，推导出非正弦激励下多绕组变压器铁芯损耗表达式Pc为： 式中：Bm为峰值磁密；Km为损耗系数、α为频率指数、β为磁密指数，可以通过正弦波激励下的铁心损耗测量值拟合得到；f为工作频率，D为占空比，Vc为铁芯的体积，ρcore为铁芯的材料密度；cosθ为正弦磁通波形；所述步骤1中，采用基波分析法推导非正弦激励下的初、次级绕组损耗表达式Pw_pri、Pw_sec为： 式中：I表示初级绕组的总数、J表示次级绕组的总数、N表示总的谐波次数、i表示第i个初级绕组；j表示第j个次级绕组；Pwi_pri、Pwj_sec分别表示第i个初级绕组、第j个次级绕组的绕组损耗；n为谐波次数；Nw为绕组匝数比；ITn,i为初级绕组电流幅值；FRn,i_pri、FRn,j_sec分别为第i个初级绕组、第j个次级绕组在第n次谐波的交流电阻系数；RDCi_pri、RDCj_sec分别为第i个初级绕组、第j个次级绕组的直流电阻，表达式为: 式中：σ为绕组电导率；MTLi_pri、MTLj_sec分别为初级绕组、次级绕组的平均匝长；ki、kj分别为初级绕组、次级绕组利兹线的股数；dstr,i、dstr,j分别为初级绕组、次级绕组利兹线的股径；Ni、Nj分别为初级绕组、次级绕组的匝数表达式，具体如下： UDCi表示第i个初级绕组的电压有效值；UDCj表示第j个次级绕组的电压有效值；Kf表示波形系数；Ae为铁心有效截面积；所述步骤2中，利兹线最优股径dstr_opt和股数k的计算表达式为： 式中：η为填充率；m为绕组层数；IT为绕组电流幅值；δw为集肤深度；Jcmax为绕组最大电流密度；KW为波形因子，计算公式为： 式中：n为谐波次数，In为第n次谐波下电流有效值；所述步骤3中，采用ANSYSMaxwell电磁场仿真软件，对多绕组高频变压器进行建模，在涡流场求解器中选择电流源激励，分析不同绕组结构对交流电阻系数和漏电感的影响；利用导体区域的涡流损耗Pe计算交流电阻Rac，涡流损耗的表达式为： 式中：Pe为导体区域的涡流损耗；Rac为绕组交流电阻；J为导体区域电流密度；σ为导体的电导率；Irms为绕组电流有效值；在短路条件下且初次级绕组安匝数相等的条件下，对漏磁能量进行提取，进而提取出漏电感参数；具体如下：利用短路测试条件下磁芯窗口内绕组及其层间绝缘的漏磁场分布，通过漏磁场能量Wm与漏感Lσ之间的关系，进而计算出高频变压器的漏电感；对于由线性媒质组成的区域，各部分的漏磁场能量表示为： 式中：为归算至原边侧的变压器漏电感；为原边绕组电流有效值；Wm为储存的漏磁场能量；B和H分别为磁通密度和磁场强度；采用均质化方法对利兹线的复磁导率和电导率进行等效，等效复磁导率μeff和电导率σeff表达式为：μeff＝1-cμ0+cμfd； 式中：μfd为等效频变磁导率；c为填充因子；Ω为无量纲频率，计算式可以表示为： 式中：σ为绕组电导率；η为铜的填充系数；μ0为真空磁导率；j表示复数；ω为角频率；所述步骤5中，正交试验法的因素包括：选择初级绕组P1、P2与次级绕组S2隔离间距L1，绕组P1与绕组P2间距L2，绕组S1与绕组S2间距L3；步骤5中，正交试验法的计算流程为：步骤1：对不同因素下的变压器模型进行建模，分析不同因素下的漏电感和绕组损耗；步骤2：根据直观分析法，分别选择漏电感和绕组损耗的较优方案；步骤3：根据极差分析法，分别选择漏电感和绕组损耗的较优方案；步骤4：根据评判指标的同等重要性，采用综合频率分析法，得到较优方案；步骤5：判断是否满足最高允许温度的限制条件；若是满足，即可得到多绕组共铁心磁集成高频变压器的优化设计结果；若不满足，则重复步骤1-步骤4。

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