CN113203893B - 一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法 - Google Patents
一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,包括以下步骤：步骤S1:获取待测磁耦合系统的绕组电压,绕组电感以及测量磁耦合系统的交流电阻；步骤S2:根据得到的绕组电压,绕组电感以及测量的磁耦合系统的交流电阻，计算绕组电流；步骤S3:通过有限元仿真软件，获取磁芯损耗；步骤S4:根据得到的磁芯损耗和绕组电流，计算得到绕圈绕组的交流电阻。本发明将绕组交流电阻损耗和磁芯损耗分离开来，从而获得不同频率下的绕组交流损耗等效电阻大小，解决现有技术对Litz线导线股数很多时，测量效率低下，计算量大的问题，适用于电感器、漏感大的松耦合变压器或者耦合电感的绕组交流电阻测量。
Description
技术领域
本发明涉及磁耦合系统检测领域，具体涉及一种电感器及松耦合变压器的绕组交流电阻提取方法。
背景技术
开关电源系统中的磁性元件（包括电感器和变压器）工作于高频电流激励条件下用以实现能量存储和传输。线圈绕组在高频工作中会产生严重的高频涡流效应会使线圈电阻随频率变化剧烈增大，此时不能再用线圈的直流电阻来表征。为了提高电感感量和变压器的耦合系数及对电磁场进行屏蔽，常在磁性元件中加入磁芯。对于含有磁芯结构的电感器和松耦合（耦合系数小）变压器，一般情况下无法通过LCR表等小信号测量仪器来测量磁性元件绕组的交流电阻。这是因为其所测量的电阻中不仅含有绕组的交流电阻同时还包括磁芯的高频损耗电阻。当然，如果磁性元件的绕组所采用的导体是漆包线或铜箔，可以采用有限元仿真获得其线圈绕组的交流电阻，但在工程应用中为了减小绕组损耗，常使用Litz线来作为绕组的导体。Litz线导线股数很多，如果采用有限元软件进行仿真所需的计算资源极其庞大，难以获得计算结果，不具工程实用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法，将线圈绕组交流电阻损耗和磁芯损耗分离开来，从而获得不同频率下的绕组交流损耗等效电阻大小，解决现有技术对Litz线导线股数很多时，测量效率低下，计算量大的问题，适用于漏感大的松耦合变压器或者耦合电感的绕组交流电阻测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,包括以下步骤：
步骤S1:获取待测磁耦合系统的绕组电压,绕组电感以及测量磁耦合系统的交流电阻；
步骤S2:根据得到的绕组电压,绕组电感以及测量磁耦合系统的交流电阻，计算绕组电流；
步骤S3:通过有限元仿真软件，获取磁芯损耗；
步骤S4:根据得到的磁芯损耗和绕组电流，计算得到线圈绕组的交流电阻。
进一步的，所述步骤S1具体为：通过阻抗分析仪测量绕组电感L measure和测量的磁耦合系统的交流电阻R measure；通过电压探头测量绕组激励电压幅值U measure。
进一步的，所述绕组电流幅值具体为：
其中Z measure为测量阻抗，L measure为绕组发生自谐振频率点的1/5到1/10频率范围内测量得到的电感。
进一步的，所述步骤S3具体为：
步骤S31：在涡流场下建立待测磁耦合系统三维仿真模型并设置相应的材料属性；
步骤S32：采用闭合回路的圆导线或铜皮来等效代替实际的线圈绕组，并设置相应的材料属性；
步骤S33:根据测量得到的激励电流，通过给予绕组激励电流仿真得到总磁芯损耗Pcore。
进一步的，所述线圈绕组交流电阻R w表示为：
其中R eqcore为等效的磁芯损耗电阻。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明将绕组交流电阻损耗和磁芯损耗分离开来，从而获得不同频率下的绕组交流损耗等效电阻大小，解决现有技术对Litz线导线股数很多时，测量效率低下，计算量大的问题，适用于漏感大的松耦合变压器或者耦合电感的绕组交流电阻测量。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明一实施例中磁芯损耗仿真流程图；
图3是本发明一实施例中含磁芯的磁耦合结构三维仿真模型示意图；
图4是本发明一实施例中磁耦合系统副边开路后的测量等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,包括以下步骤：
步骤S1:获取待测磁耦合系统的绕组电压,绕组电感以及测量磁耦合系统的交流电阻；
步骤S2:根据得到的绕组电压, 绕组电感以及测量磁耦合系统的交流电阻，计算绕组电流；
步骤S3:通过有限元仿真软件，获取磁芯损耗；
步骤S4:根据得到的磁芯损耗和绕组电流，计算得到线圈绕组的交流电阻。
优选的，在本实施例中，通过阻抗分析仪测量线圈绕组电感L measure和测量磁耦合系统的交流电阻R measure；通过电压探头测量绕组激励电压幅值U measure。
由阻抗分析仪测得的磁耦合系统的交流电阻R measure表示为：
其中，I Rpkm、I Rc、I measure均为电流幅值。
设在阻抗分析仪上施加正弦电流激励I measure下的磁芯损耗P core已知，根据图4等效电路其可表示为：
同时绕组流过的电流I measure可以由激励电压U measure和测量阻抗Z measure表示为：
其中Z measure为测量阻抗，L measure为绕组发生自谐振频率点的1/5到1/10频率范围内测量得到的电感。
进一步的，线圈绕组交流电阻R w表示为：
其中R eqcore为等效的磁芯损耗电阻
在本实施例中，优选的，步骤S3具体为：
步骤S31：在涡流场或瞬态场下建立待测磁耦合系统三维仿真模型并设置相应的材料属性；
步骤S32：采用闭合回路的圆导线或铜皮来等效代替线圈绕组，并设置相应的材料属性；
步骤S33:根据测量得到的激励电流，通过给予绕组激励电流仿真得到总磁芯损耗。
实施例1：
本实施例对于无线电能传输系统中的含磁芯的磁耦合结构，如图3所示，其耦合系数较低无法采用传统的测量和仿真方法获得其绕组的交流电阻。现采用本发明所提出的方法来获得其绕组交流电阻。
如表1所示为含磁芯的磁耦合结构副边开路后通过阻抗分析仪测得的各次谐波频率点下原边两端的激励电压U measure、测量电阻R measure。
表1原边在各次谐波频率点下的端电压及测试电阻
| 测量值 | 40<i>kHz</i> | 120<i>kHz</i> | 200<i>kHz</i> | 280<i>kHz</i> | 360<i>kHz</i> |
| <i>U</i><sub>measure/V</sub> | 1.245 | 1.455 | 1.475 | 1.495 | 1.515 |
| <i>R</i><sub>measure</sub>/ WΩ | 0.088W | 0.226W | 0.570W | 1.179W | 2.328W |
结合测量出的原边感量L p=264.92mH及公式可确定流过激励电流I measure如表2所示。
表2原边在各次谐波频率点下的激励电流
| 计算值 | 40<i>kHz</i> | 120<i>kHz</i> | 200<i>kHz</i> | 280<i>kHz</i> | 360<i>kHz</i> |
| <i>I</i><sub>measure</sub>/mA | 0.0189 | 0.0221 | 0.0224 | 0.0227 | 0.0230 |
如表3所示为通过有限元仿真软件得到磁耦合结构副边无激励电流，而原边施加激励电流I measure下得到各次谐波频率点下的磁芯损耗P core。
表3原边在各次谐波频率点下的磁芯损耗
| 仿真值 | 40<i>kHz</i> | 120<i>kHz</i> | 200<i>kHz</i> | 280<i>kHz</i> | 360<i>kHz</i> |
| <i>P</i><sub>core</sub>/mW | 0.90 | 6.05 | 12.71 | 20.88 | 30.46 |
进一步根据公式可计算得到各次谐波频率点下的磁芯损耗等效电阻R eqcore与原边绕组交流电阻R w如表4所示。
表4原边在各次谐波频率下的原边绕组交流电阻及磁芯损耗等效电阻
| 计算值 | 40<i>kHz</i> | 120<i>kHz</i> | 200<i>kHz</i> | 280<i>kHz</i> | 360<i>kHz</i> |
| <i>R</i><sub>eqcore</sub>/ WΩ | 0.005 | 0.025 | 0.051 | 0.081 | 0.115 |
| <i>R</i><sub>w</sub>/ WΩ | 0.083 | 0.201 | 0.519 | 1.098 | 2.213 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:获取待测磁耦合系统的绕组激励电压,绕组电感以及测量磁耦合系统的交流电阻；
步骤S2:根据得到的绕组的电感及绕组激励电压幅值，计算出有限元仿真所需的绕组激励电流；
步骤S3:通过有限元仿真软件，获取磁芯损耗；
步骤S4:根据得到的磁芯损耗和绕组激励电流，计算得到线圈绕组的交流电阻；
所述线圈绕组的交流电阻Rw表示为：
其中Reqcore为等效的磁芯损耗电阻，Lmeasure为绕组电感，Rmeasure为磁耦合系统的交流电阻；Umeasure绕组激励电压，ω为角速度。
2.根据权利要求1所述的一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,其特征在于，所述步骤S1具体为：通过阻抗分析仪或LCR表测量绕组电感Lmeasure和测量磁耦合系统的交流电阻Rmeasure；通过电压探头测量绕组激励电压Umeasure。
3.根据权利要求1所述的一种电 感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,其特征在于，所述绕组激励电流具体为：
其中Zmeasure为测量阻抗，Lmeasure为绕组发生自谐振频率点的1/5到1/10频率范围内测量得到的电感。
4.根据权利要求1所述的一种电感器及松耦合变压器的线圈绕组交流电阻提取方法,其特征在于，所述步骤S3具体为：
步骤S31：在涡流场或瞬态场下建立待测磁耦合系统磁芯的三维仿真模型并设置相应的材料属性；
步骤S32：采用闭合回路的圆导线或铜皮来等效代替线圈绕组，并设置相应的材料属性；
步骤S33:根据测量得到的绕组激励电流，通过给予绕组激励电流仿真得到磁芯损耗Pcore。
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