CN109101673A - 高频变压器磁芯损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

高频变压器磁芯损耗计算方法，本发明涉及了两个重要参数T^*、λ^*。温度系数T^*：此参数为磁芯在常温下与在工作环境中温升的温度比重。变压器磁芯在工作中会引起温度的升高，而温度又会导致损耗的变化，因此，此参数是本发明的一个重要因素。与原始的Steinmetz公式相比，本发明加入了温度系数和波形系数参数，弥补了温度变化对磁芯损耗的影响，改进了波形的激励条件，使得磁芯损耗的计算更加精确。

Description

高频变压器磁芯损耗计算方法

技术领域

本发明涉及磁芯损耗计算领域，具体涉及应用于高频环境下磁芯损耗的计算方法。

背景技术

包括变压器和电感器在内的磁性元件实现电流隔离，谐波滤波，能量存储和功率级的参数匹配以及功率变换器中的控制电路的功能，它们通常决定着变换器的尺寸。而随着电子信息技术飞速发展，各类小型轻量化的电子设备的电源系统层出不穷。

随着运行频率的不断增加，电子设备向着小型化发展，因而需要注重磁芯材料的选择，而磁芯损耗作为磁芯材料的特征之一、作为影响能量转换与传输效率的重要损耗之一，因此对于它的分析至关重要。

传统的损耗分离法虽然对于涡流损耗和附加损耗计算较为精确，但因涉及参数较多且提取方法复杂，在实际计算中很少采用。而高频损耗密度的经典方法-斯坦梅兹(Steinmetz)公式在工程上应用很广，但仅限应用于正弦激励情况下，并且计算精度不算高。因为高频变压器在运行过程中会产生磁场，而磁场会导致磁芯温度的变化，而温度对于磁芯损耗的影响也是非常大的。因此温度分析也是不可或缺的。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种更为精确的磁芯损耗计算方法，利用磁性元件的热模型和斯坦梅兹(Steinmetz)公式结合起来，加入波形分析方法，达到最优效果，其目的是解决磁芯损耗计算时存在的问题。

技术方案：

本发明的技术方案如下：

本发明涉及了两个重要参数T^*、λ^*。

温度系数T^*：此参数为磁芯在常温下与在工作环境中温升的温度比重。变压器磁芯在工作中会引起温度的升高，而温度又会导致损耗的变化，因此，此参数是本发明的一个重要因素。

波形系数λ^*：此参数可作为为对任意波形与正弦波积分的比例系数。将斯坦梅兹公式中受限制的正弦波激励条件扩大到任意波形中。

原始Steinmetz公式：P＝Kf^αB^β

其中，P_c为磁芯损耗，K、α、β为磁芯相关的系数，f为变压器工作频率，B为变压器磁芯工作磁通密度。

步骤1：测出磁芯初始温度T₀。

步骤2：在COMSOL中建立高频变压器磁芯损耗热模型。

步骤3：在COMSOL热模型中输入相应激励作温度场仿真分析，得到磁芯在相应工作环境下的温度T₁。

由步骤1和步骤3求出温度系数T^*。

温度系数T^*可表示为：

其中，T₀为磁芯初始温度，T₁为磁芯稳态温度。

步骤4：对正弦波形作正半周期积分为：

其中，ω为频率，T为周期。

步骤5：对任意波形函数作正半周期积分：

其中，f(t)为波形函数。

由步骤3和步骤4求出波形系数λ^*。

波形系数λ^*可表示为：

步骤6：由以上参数代入原始Steinmetz公式可得高频变压器磁芯损耗计算公式为：

P＝T^*λ^*Kf^αB^β

c

其中，P_c为磁芯损耗，K、α、β为磁芯相关的系数(与原始Steinmetz公式里一致)，T^*为温度系数，λ^*为波形系数，f为变压器工作频率，B为变压器磁芯工作磁通密度。

优点效果：

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：

与原始的Steinmetz公式相比，本发明加入了温度系数和波形系数参数，弥补了温度变化对磁芯损耗的影响，改进了波形的激励条件，使得磁芯损耗的计算更加精确。

附图说明

图1是本发明计算方法流程图。

图2是高频变压器简易拓扑结构图

图3是磁芯损耗热模型图。

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：

如图2所示变压器工作在高频环境下，输入波形为三角波，变压器磁芯初始温度为25℃。

如图3所示在COMSOL建立高频变压器磁芯损耗热模型。

输入相应激励作温度场仿真分析，得到T₁。

则可得温度系数T^*为：

对正弦波形作正半周期积分为：

因输入波形为三角波，可求出三角波函数为：

对式(3)作正半周期积分为：

由(2)式和(4)式可得波形系数λ^*为：

把式(1)所得温度系数T^*和式(5)所得波形系数λ^*代入高频变压器磁芯损耗计算公式可得：

其中，P_c为磁芯损耗，K、α、β为磁芯相关的系数(与原始Steinmetz公式里一致)，f为高频变压器工作频率，B为高频变压器磁芯工作磁通密度。

Claims (6)

1.一种高频变压器磁芯损耗计算方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：测出磁芯初始温度T₀；

步骤2：在COMSOL中建立高频变压器磁芯损耗热模型；

步骤3：在COMSOL热模型中输入相应激励作温度场仿真分析，得到磁芯在相应工作环境下的温度T₁；

步骤4：对正弦波形作正半周期积分；

步骤5：对任意波形作正半周期积分；

步骤6：由以上参数代入原始Steinmetz公式可得高频变压器磁芯损耗计算公式。

2.根据权利要求1所述的一种高频变压器磁芯损耗计算方法，其特征在于：

由步骤1和步骤3求出温度系数T^*；

温度系数T^*表示为：

其中，T₀为磁芯初始温度，T₁为磁芯稳态温度。

3.根据权利要求1所述的一种高频变压器磁芯损耗计算方法，其特征在于：

步骤4中对正弦波形作正半周期积分为：

其中，ω为频率，T为周期。

4.根据权利要求3所述的一种高频变压器磁芯损耗计算方法，其特征在于：

所述步骤5中对任意波形函数作正半周期积分：

其中，f(t)为波形函数。

5.根据权利要求4所述的一种高频变压器磁芯损耗计算方法，其特征在于：

由所述步骤3和所述步骤4求出波形系数λ^*；

波形系数λ^*可表示为：

6.根据权利要求1所述，一种高频变压器磁芯损耗计算方法，其特征在于：

所述步骤6中高频变压器磁芯损耗计算公式为：

P_c＝T^*λ^*Kf^αB^β

其中，P_c为磁芯损耗，K、α、β为磁芯相关的系数(与原始Steinmetz公式里一致)，T^*为温度系数，λ^*为波形系数，f为变压器工作频率，B为变压器磁芯工作磁通密度。