[发明专利]考虑磁芯磁场分布的高频绕组交流电阻系数计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑磁芯磁场分布的高频绕组交流电阻系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：根据磁芯磁场分布和窗口磁场分布规律，定义综合系数；将综合系数引入高频绕组交流电阻系数计算公式，从而构建新的高频绕组交流电阻系数解析计算模型；确定综合系数关于相关影响因素的表达式；获得待评估对象的参数值，确定综合系数的具体数值；用新的高频绕组交流电阻系数解析计算模型，基于综合系数的具体数值计算得到待评估对象的交流电阻系数。和传统的解析模型相比，采用本发明模型可以取得精度更高的交流电阻系数评估结果，从而实现更准确的损耗预估。

技术领域

本发明涉及一种高频绕组交流电阻系数的计算方法，应用于电力电子变换装置的高频磁性元件中。

背景技术

随着第三代功率半导体技术的成熟，电力电子变换装置展现出日益明显的高频化趋势。高频绕组和磁芯构成的感性磁性元件不仅关系着电力电子装置的电气性能，对装置的损耗也有直接影响。随着频率提高，导体的涡流效应愈发明显。在邻近效应和集肤效应的共同作用下，高频绕组内电流密度分布不均匀，等效交流电阻增加，涡流损耗增大。高频绕组一般采用箔式、利兹线等式样的导体，以减小导体内的涡流损耗。

由于高频绕组损耗取决于各频率下绕组电流和绕组等效交流电阻的乘积，而等效交流电阻又可以表达为单频率下交流电阻系数和直流电阻的乘积。因此，准确计算高频绕组交流电阻系数对开展高频绕组损耗评估和优化具有重要意义。

目前可以采用数值计算法和解析计算法开展高频绕组交流电阻系数评估。在实际使用中，数值计算法有较大局限性，其计算结果的准确性高度依赖于模型的精准度和网格剖分质量。高频绕组结构复杂，例如：大功率场合，感性元件的高频绕组由几十根至几千根彼此绝缘的导电丝绞合而成。采用数值法计算时需要建立准确的导线绞合模型，并基于导体的高频集肤深度开展网格剖分，计算代价巨大，计算成本过高。

采用解析计算法开展高频绕组交流电阻系数评估，通用方法有两类：Dowell法和贝塞尔方程法。Dowell方法基于实心圆导体搭建计算模型，适用于扁线式和箔式绕组评估。Dowell方法的相关研究可以参考《Effects of Eddy Currents in TransformerWindings》、公开号为CN107992714B的专利《一种适用于圆导体绕组高频损耗分析与计算方法》。贝塞尔方程法基于电流密度的求解预估交流电阻系数，模型考虑了导体填充系数的影响，适用于利兹线绕组评估。贝塞尔方程法的相关研究可以参考《Improved AnalyticalModeling of Conductive Losses in Magnetic Components》、《Accurate AnalyticalModel of Winding Losses in Round Litz Wire Windings》。贝塞尔方程法的具体建模原理见图1。

和数值法相比，以Dowell法和贝塞尔方程法为代表的解析方法可以快速计算高频绕组的交流电阻系数。解析方法的不足在于，为了求解出电磁场方程的唯一解，解析法在模型搭建和边界条件定义中引入了和实际条件不符合的假设，导致解析法计算结果准确性不足，计算值和测量值之间存在偏差。

以Dowell法和贝塞尔方程法为代表的解析方法引入的假设包括，如图2所示，当基于电流连续性方程计算不同绕组之间的外邻近效应磁场He时，假设磁芯磁导率无穷大，磁芯磁场分布为零，从而该外邻近效应磁场He假设等于窗口磁场H1。引入的假设还包括，认为绕组之间紧密布置，且绕组紧贴磁芯绕制。基于上述的这些假设，可以得出进一步的假设条件，即窗口磁场是仅仅和绕组层数有关的均匀磁场。基于窗口磁场是仅仅和绕组层数有关的均匀磁场的假设，搭建Dowell法或者贝塞尔方程法的高频绕组交流电阻系数解析计算模型。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：传统高频绕组交流电阻系数解析计算模型中，假设了磁芯磁场为零，绕组紧密布置且紧贴磁芯绕制，窗口磁场分布仅和绕组层数有关，和实际情况不符，使得高频绕组交流电阻系数计算结果和测量值之间存在偏差。