CN103745124B - 一种不同截面积磁芯损耗计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同截面积磁芯损耗计算方法：首先在给定的工作频率、磁通密度变化量条件下分离磁滞损耗和涡流损耗，然后通过计算实际工程中选用的磁芯与产品规格书中测试磁芯的截面积差异，将这种差异计入到涡流损耗的计算中。本发明的优点是物理概念清晰，计算过程简单，无需依赖专门仪器即可有效分析不同截面积对磁芯损耗的影响，可广泛适用于仿真软件模拟在电力电子应用中不同截面积磁芯的损耗大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算不同截面积磁芯损耗计算方法，可广泛适用于指导低频电力变压器磁芯，中频电机磁芯，高频变换器磁芯的设计。
背景技术
磁性元件是电力变压器、电机、电力电子变换器中最重要的电气器件之一，它们对整机的效率及体积有决定性的影响。因此需要在工程早期设计阶段预估不同的工况下导致的磁芯损耗大概范围，合理进行变换器的热设计，可有效缩短开发周期并避免造成不必要的经济损失。
磁芯材料广泛应用于磁性元件设计中，按材料的性质不同，目前主要的磁芯材料方法可分为：低碳钢、铁氧体、粉芯、非晶软磁合金等。厂家一般都会给出不同材质磁芯所对应的正弦激励条件下的损耗曲线，但只是针对特定尺寸的测试磁芯，换句话说就是给定了磁芯截面积条件下的损耗曲线。由磁芯损耗产生的物理机理可知，不同的磁芯截面积将会显著影响磁芯涡流损耗。
磁芯损耗分离理论根据磁性材料在交变磁场作用下产生损耗发热的机理不同，将磁芯材料的总损耗分解为各种成分损耗的叠加。在实际工程中计算模型可简化为磁滞和涡流的2项主要损耗。显然我们可以对实际选用的磁芯材料的损耗进行测试以获得损耗数据，但这样的方法依赖测试设备，对于工程早期设计阶段也不方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是计算实际选用的磁芯尺寸规格在正弦激励下的磁损大小。通过厂家提供的磁性材料损耗曲线，利用磁性损耗分离法物理概念清晰的优势分离磁滞损耗和涡流损耗，提出了一种无需依赖专业测试设备计算任意截面积磁芯的磁损大小的计算方法，有利于工程中实际应用。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种不同截面积磁芯损耗计算方法，计算实际工程中选用的磁芯与产品规格书中测试磁芯的截面积差异，将截面积差异计入到涡流损耗的计算中，得到不同截面积磁芯损耗；具体如下：
步骤1、根据厂家的磁损曲线，在给定工作频率、磁通密度变化量工作条件下，分离出所对应的磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe；分离出磁滞损耗和涡流损耗；具体如下：
步骤A、避开磁滞损耗与磁通密度变化量之间的非常量关系，建立磁滞损耗与频率之间的线性关系建立方程如下：
其中，磁滞损耗密度的关系式为：
式中，Ph代表磁滞损耗功率损耗密度；B代表磁通密度，代表磁通密度的变化量，x代表在不同工作条件下磁滞损耗与磁场强度之间的指数关系；f代表工作频率；
涡流损耗密度的关系式为：
式中，Pe代表涡流损耗功率损耗密度；
步骤B、结合式（1）、（2）的磁滞损耗和涡流损耗分别与频率和磁通密度之间的变化规律，并通过线性插值法求取任意2个不同工作频率处的电阻率ρ，通过调整涡流损耗磁芯电阻率来涵盖剩余损耗中额外涡流损耗的影响，构建磁芯损耗分离方程如下：
式中，Pv(fA)为在所选取的第一工作频率点处的磁芯功率损耗密度，Ph(fA)为在第一工作频率点处的磁滞损耗功率损耗密度，Pe(fA)为在第一工作频率点处的涡流损耗功率损耗密度,ρ(fA)为在第一工作频率点处的电阻率，fA为第一工作频率点处的工作频率；Pv(fB)为在所选取的第二工作频率点处的磁芯功率损耗密度，Ph(fB)为在第二工作频率点处的磁滞损耗功率损耗密度，Pe(fB)为在第二工作频率点处的涡流损耗功率损耗密度，ρ(fB)为在所选取的第二工作频率点处的电阻率，fB为第二工作频率点处的工作频率；
步骤C、在给定磁通密度变化量下，利用式（3）求解方程分离出正弦激励条件下磁芯在第一工作频率点或第二工作频率点的磁滞损耗和涡流损耗功率密度，进而分离出正弦激励条件下任意频率点所对应的磁滞损耗和涡流损耗功率密度。
步骤2、确认选用磁芯产品规格书中磁损数据所采用的测试磁芯规格，定义该测试磁芯截面积为A1；定义实际工程中所选用磁芯截面积为A2，定义涡流损耗截面积系数K(Ae)=A2/A1。
步骤3、在给定工作频率、磁通密度变化量下，利用步骤1、2，即可获得在正弦激励条件下不同磁芯截面积的磁芯损耗耗功率密度Pv＝Ph+K(Ae)Pe。
进一步的，本发明的不同截面积磁芯损耗计算方法可适用于不同材质的磁芯材料。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
与依赖测试设备测量或仿真计算磁芯损耗方法相比，本发明提出的计算方法一方面避开了众多与材料特性相关的待定系数，计算过程无需依赖任何测试设备和仿真软件；另一方面通过定义截面积系数，只需考虑截面积对涡流损耗的影响。显然本发明所采用的方法简洁、适用。
附图说明
图1是涡流损耗产生的物理机理。
图2是本发明实例的3F3磁性材料在正弦激励下磁芯损耗功率密度曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
从效率、体积和可靠性等方面综合考虑，根据开关变换器高频变压器工作磁场激励强度的不同，磁滞损耗Ph与磁通密度变化指数x的关系在2～3之间变化，其磁滞损耗Ph适用于式（1）所表述特征。
涡流损耗密度的一般关系式为：
式（1）（2）中系数定义为：B为磁通密度；f为频率；ρ为磁芯材料的交流电阻率；Ae为测试磁芯的截面积。图1示出了涡流损耗产生的物理机理，可见在磁芯中的感应电压是产生涡流的根本原因，其与磁芯材料的截面积紧密相关。磁芯材料的截面积越大，涡流损耗越严重。
式（3）为一种磁芯损耗分离计算方法（申请号：201310062894.2，公开号：103197267A，公开日：2013-7-10）描述的根据厂家提供的正弦激励磁损数据分离磁滞损耗和涡流损耗的方法。其中fA，fB为磁芯损耗曲线中的两个频率点。
定义产品规格书中磁损数据所采用的测试磁芯规格截面积是A1；定义实际工程中所选用磁芯截面积为A2，定义涡流损耗截面积系数
K(Ae)=A2/A1 (4)
根据式（2）（3）（4）的结果，我们就可以预估不同截面积磁芯在正弦激励条件下的磁芯损耗为：
以飞利浦MnZn铁氧体磁芯3F3为分析对象，针对100kHz和200kHz这两处频率点，在每个频率区间的电阻值本项目拟采用线性差值法求得ρ100kHz＝2、ρ200kHz＝1.8。图2为在正弦激励下功率损耗密度与磁场强度和开关频率之间的关系，当时磁芯功率损耗密度值分别为Pv(100KHz)＝70kW/m3和Pv(200KHz)＝220kW/m3。
由式（3）可知，
根据厂家产品规格书给出的数据可知，其测试用的磁芯型号为TN25/15/10，磁芯截面积为48.9mm2。如果我们实际使用的磁芯型号为TX40/24/20，则磁芯截面积为157mm2，即K(Ae)＝3.2。
结合式（4）（5）（6），可直接计算出TX40/24/20在正弦激励下的损耗数据为，
由上式可见,我们充分结合电力电子变换器的实际工作特点和磁芯材料损耗产生的物理实质，通过合理的简化，直接计算就可以方便的求出不同截面积磁芯在正弦激励条件下所对应的磁损耗功率密度。
综上所述，针对传统磁芯材料损耗需要依赖测试设备才能获得的特点，本发明公开了一种计算不同截面积磁芯损耗的计算方法。通过比较实际选用磁芯和厂家测试磁芯截面积的系数，定义涡流损耗截面积系数来考虑磁芯截面积差异对涡流损耗的影响。本发明只需依赖厂家损耗曲线数据中任意两个工作点的磁损数据建立方程组，即可计算不同截面积磁芯在正弦激励下的损耗。该计算分析方法可适用于仿真软件模拟在电气应用中磁芯材料不同截面积对总磁损的影响。虽然本发明所采用的例子是高频铁氧体材料,但由于不同磁芯材料产生的物理机理基本相同，本发明所披露的方法不局限在高频铁氧体磁芯的计算，同样适用于计算其他材料不同截面积的磁芯损耗计算中。
Claims (2)
1.一种不同截面积铁氧体磁芯损耗计算方法，其特征在于：计算实际工程中选用的铁氧体磁芯与产品规格书中测试铁氧体磁芯的截面积差异，将截面积差异计入到涡流损耗的计算中，得到不同截面积铁氧体磁芯损耗；具体如下：
步骤1、根据厂家的磁损曲线，在给定工作频率、磁通密度变化量工作条件下，分离出所对应的磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe；
步骤2、确认选用磁芯产品规格书中磁损数据所采用的测试磁芯规格，定义该测试磁芯截面积为A1；定义实际工程中所选用磁芯截面积为A2，定义涡流损耗截面积系数K(Ae)＝A2/A1；
步骤3、在给定工作频率、磁通密度变化量下，利用步骤1、2，即可获得在正弦激励条件下不同截面积的磁芯损耗功率密度Pv＝Ph+K(Ae)Pe。
2.根据权利要求1所述的不同截面积铁氧体磁芯损耗计算方法，其特征在于：步骤1中所述分离出对应的磁滞损耗和涡流损耗，具体如下：
步骤A、避开磁滞损耗与磁通密度变化量之间的非常量关系，建立磁滞损耗与频率之间的线性关系方程如下：
其中，磁滞损耗密度的关系式为：
式中，Ph代表磁滞损耗功率损耗密度；B代表磁通密度，代表磁通密度的变化量，x代表在不同工作条件下磁滞损耗与磁场强度之间的指数关系；f代表工作频率；
涡流损耗密度的关系式为：
式中，Pe代表涡流损耗功率损耗密度；
步骤B、结合式(1)、(2)的磁滞损耗和涡流损耗分别与频率和磁通密度之间的变化规律，并通过线性插值法求取任意2个不同工作频率处的电阻率ρ，通过调整涡流损耗磁芯电阻率来涵盖剩余损耗中额外涡流损耗的影响，构建磁芯损耗分离方程如下：
式中，为在所选取的第一工作频率点处的磁芯功率损耗密度，为在第一工作频率点处的磁滞损耗功率损耗密度，为在第一工作频率点处的涡流损耗功率损耗密度,为在第一工作频率点处的电阻率，fA为第一工作频率点处的工作频率；为在所选取的第二工作频率点处的磁芯功率损耗密度，为在第二工作频率点处的磁滞损耗功率损耗密度，为在第二工作频率点处的涡流损耗功率损耗密度，为在所选取的第二工作频率点处的电阻率，fB为第二工作频率点处的工作频率；
步骤C、在给定磁通密度变化量下，利用式(3)求解方程分离出正弦激励条件下磁芯在第一工作频率点或第二工作频率点的磁滞损耗和涡流损耗功率密度，进而分离出正弦激励条件下任意频率点所对应的磁滞损耗和涡流损耗功率密度。
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