[发明专利]基于直流偏置下的非线性电感损耗测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及损耗测量方法，特别涉及磁性元件中的铁损测量，可用于直流偏置情况下对非线性电感损耗的测量。

背景技术

由于磁性元件中铁损测量的特殊性，不同工况下，铁损的估算一直是困扰学界、业界的难题之一。近几十年来，有限元方法被广大工程技术人员和科研人员所采用：Basak采用有限元法开发了一款用来分析三相三臂变压器铁芯的磁场分布和损耗分布的软件；Ansys和Ansoft公司也推出了基于有限元法的嵌入式铁芯损耗测量模块软件。但是测量电感铁芯损耗时还是遇到了诸多问题，究其原因有以下几点：首先，由于在一般的工作情况下，电感铁芯总是应用于较大的直流电流偏置的环境下，而在这些直流偏置的影响下，损耗会有很大的不同，所以，电感铁损问题的分析需要在电感的平均电流和电感上电压伏秒值均为稳态时进行，而常见的有限元软件需要经过很长的时间才能达到稳态，这导致求解的过程过于漫长；其次，电感部分饱和的情况在实际生产中比较常见，如磁饱和电感、瞬态尖峰吸收电感、LTCC电感等在实际工作中都会有饱和的现象产生，而根据Stienmetz公式表明，损耗是与磁感应强度的振幅ΔB有关，需要准确测量损耗的时候，必须要按照铁损密度的梯度关系来进行网格划分，否则，将会产生较大的误差；最后，由于电感的这种饱和现象，电流波形并非三角波，如何确定施加电压激励的起始点，保证施加后的电流响应与稳态工作的电流波形一致，成为可靠获得一个周期内ΔB的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于直流偏置下的非线性电感损耗测量方法，以提高磁芯损耗的测量速度和准确性。

实现上述目的的技术方案包括如下步骤：

(1)用千分尺量出被测电感的尺寸，得到电感的几何参数；

(2)在有限元软件中，按照电感的几何参数建立大小与实际电感相同的有限元模型，并将电感模型用平均网孔法进行网格划分，任意设定每个单元的体积，记为V，形成大小相同的N个单元；

(3)计算电感模型应施加的电压激励U，使电感模型中的电流达到设定的偏置电流I_dc，该偏置电流为电感所在的实际电路中的平均电流值；

(4)对电感模型施加一个周期信号V(D)，该周期信号V(D)高电平和低电平的幅值为电感所在实际电路中电感两端等效电压信号的幅值；该周期信号开始的高电平施加时间占整个周期的比值V(D)记为前项占空比D，调整电感模型应施加周期信号的前项占空比D，得到最终的周期信号V'(D)，再将该周期信号V'(D)施加给电感模型，使电感模型中的电流与电感所在的实际电路中的电流波形一致；

(5)在有限元软件中求得电感磁芯在一个周期内磁感应强度的振幅ΔB；

(6)通过Stienmetz方程计算每个单元的磁芯损耗密度：

P＝k(H_DC)ΔB^αf^β，

式中k(H_DC)为直流磁场强度的函数，f为频率，α和β分别为Stienmetz磁感应系数和频率系数；

(7)将每个单元的磁芯损耗密度P与每个单元的体积V相乘，得到每个单元的磁芯损耗，再对每个单元的损耗求和，得到整个磁芯的总损耗L：

L=Σn=1NP*V]]>

(8)重新对电感模型进行网格划分，使新划分网格后每个单元的体积V'小于最开始网格划分后的体积V，计算得到新的磁芯损耗L'；

(9)设定误差标准ε，将L与L'的差值与ε进行比较；若|L-L′|/L'≤ε,则将L作为最终磁芯损耗；若|L-L′|/L'＞ε，则将磁芯划分为体积更小的单元，重复步骤(2)-(9)重新计算磁芯损耗，直到满足|L-L′|/L'≤ε。

所述步骤(3)计算电感模型应施加的电压激励U，按如下步骤进行：

(3a)选取两个电压值u₁和u₂作为电压激励，设定u₁为0，u₂任意选取一个大于0的值,电压激励时间t₁为任意大于0的值；