一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法及系统

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于电力电子磁性元件的铜损计算方法及系统。


背景技术：

2.磁性元件(简称“磁件”)是电力电子变换器的重要组成部分，几乎所有电源电路中，都需要用到磁件。磁元件铜损计算是电力电子变换器磁件设计的基础，磁件铜损的算法也正成为磁件设计的核心算法之一。当前，磁件铜损的主流算法包括数值方法和解析方法。其中，数值方法主要包括：在comsol和maxwell等商用软件中广泛使用的有限元方法(fem)，和以部分元等效电路方法(peec)为代表的有限差分方法(fdm)。其中，有限元方法应用广泛，适用性强，但需要网格剖分，可能出现网格剖分报错，计算速度慢，对算力的需求大；相比之下，有限差分方法计算精度略低，且对不规则形状适用性差，但不需要网格剖分，对算力的需求较小。整体来看，尽管有限差分法对算力的需求小于有限元方法，两种数值方法对算力的要求还是很大，对于需要大量反复迭代的电力电子磁件自动化设计场景略显乏力。相比于上述数值方法，解析方法具有计算精度高，计算速度快，对算力需求低的优势，但由于相关的解析解推导十分困难，业界多年来一直采用以dowell算法为代表的一维电阻的简化解析算法，该方法在气隙距离绕组较近时误差很大，应用场景有限。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法及系统，该方法适用于电力电子磁件的pcb或铜箔绕组铜损的解析计算，该方法具有计算速度快，计算准确性高，适用范围广的特点。
4.为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，包括：
6.获取磁元件的参数；
7.根据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；
8.计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。
9.作为本发明的进一步改进，所述获取磁元件的参数中，
10.对于垂直气隙，气隙函数表示如下：
11.带垂直气隙的pcb绕组平面电感沿中轴线对称，其中，电感总匝数为n，铜层宽度为dc＝2wc，窗口宽度为dw＝2ww，一半的气隙长度为hg，铜箔厚度为tc，绕组总高度为h
wds
，铜箔顶部到磁芯窗口顶部的距离为h
gma
，平均绝缘介质间距为t
fr4
＝h
wds
/n
–
tc；该电感的气隙函数为：
[0012][0013]
其中，θ＝πhg/ww；
[0014]
对于平行气隙，气隙函数表示如下：
[0015]
带平行气隙的铜箔绕组电感沿对称轴对称，包括气隙；右半平面共用p个气隙，且第i个气隙，1≤i≤p，长度为h
g,i
，距离对称轴xi，则气隙总长度为气隙形状用归一化的气隙形状函数g(x
*
)数和气隙函数g
||,m
表示为
[0016][0017][0018]
其中，x
*
＝πx/ww，θi＝πh
g,i
/ww；
[0019]
其他各归一化变量分别定义为
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]
这里，频率为f，磁常数为μ0，铜电导率为σ。
[0028]
作为本发明的进一步改进，第n层的集肤电阻r
skin,n
、临近电阻r
prox,n
为
[0029][0030][0031]
相应的长度为l的沿单方向拉伸绕组的直流电阻r
dc,n
为
[0032][0033]
式中，dc＝2wc为绕组层宽度，tc为绕组层铜厚，σ为绕组铜电导率，η＝dc/dw为铜填充系数。
[0034]
作为本发明的进一步改进，边缘电阻表示为无穷级数，采用部分和的方式在实际应用中近似计算，具体包括：
[0035]
边缘电阻表示成无穷级数的形式
[0036]rfring,n
＝r
dc,nn2vn
[0037][0038]wn,m
＝s
esc,m
|q
esc,n,m
|2+s
osc,m
|q
osc,n,m
|2[0039]
其中，
[0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048]
[0049]
式中，r
dc,n
为第n层绕组的直流电阻，n为绕组铜层总数，gm为表示气隙形状的气隙函数，根据气隙形状选择，包括但不限于上文的g
⊥
,m
或g
||,m
。
[0050]
作为本发明的进一步改进，所述边缘电阻在中的参数vn是一个无穷级数，需采用部分和的方式进行近似计算，用中的vn'代替vn进行计算：
[0051][0052]
其中，项数m的确定方法为：
[0053]
根据所需精度需求设定精度参数d和增量误差ε，从m＝1开始对vm进行加和计算，若m≥d/λ或v
m-v
m-1
≥ε，则停止计算，当前的m值即为m，所得的和为vn'。
[0054]
作为本发明的进一步改进，所述计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和，包括：
[0055]
从远离气隙到靠近气隙，第n层的总铜损电阻r
ac,n
为集肤电阻r
skin,n
、临近电阻r
prox,n
和边缘电阻r
fring,n
之和，1≤n≤n；
[0056]rac,n
＝r
skin,n
+r
prox,n
+r
fring,n
[0057]
式中，n为绕组铜层综述，n为被计算的铜层序。
[0058]
作为本发明的进一步改进，所述总铜损电阻是直流电阻的倍数，通过修正直流电阻值以适应不同绕组形状，包括沿单方向拉伸的绕组，旋转对称的绕组，一层多匝的绕组；
[0059]
旋转轴对称的绕组，直流电阻应修正为
[0060][0061]
其中，r
ci
为绕组内半径，r
co
为绕组外半径，θ为绕组旋转的角度；
[0062]
一层多匝的绕组，直流电阻和的铜填充系数应分别修正为
[0063][0064][0065]
最终，整个电感共n层绕组的铜损总电阻为：
[0066][0067]
式中，第n层的总铜损电阻为r
ac,n
，集肤电阻为r
skin,n
，临近电阻为r
prox,n
，边缘电阻为r
fring,n
；绕组总的集肤电阻为r
skin
，临近电阻为r
prox
，边缘电阻为r
fring
。
[0068]
一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算系统，包括：
[0069]
获取模块，用于获取磁元件的参数；
[0070]
计算模块，用于根据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；
[0071]
求和模块，用于计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。
[0072]
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
[0073]
相比于数值计算方法，该方法计算速度快，无需网格剖分或计算机数值计算，直接使用公式即可得到计算结果。相比于以dowell算法为代表的一维电阻的简化解析算法，该方法计算准确性大幅提高，可以适用于气隙距离绕组很近的情况。该方法适用范围广，既可以用于带垂直气隙的平面磁件绕组铜损计算，也可以用于带平行气隙的铜箔磁件绕组铜损计算。
[0074]
进一步，总铜损电阻是直流电阻的一定倍数，算法通过修正直流电阻值以适应不同绕组形状，包括沿单方向拉伸的绕组，旋转对称的绕组，一层多匝的绕组等。
附图说明
[0075]
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
[0076]
图1为本发明一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法流程图；
[0077]
图2是带垂直气隙的pcb绕组平面电感截面示意图；
[0078]
图3是带平行气隙的铜箔绕组电感截面示意图；
[0079]
图4是旋转对称的绕组示意图；
[0080]
图5是一层多匝的绕组示意图；
[0081]
图中，1为铁氧体磁芯，2为绝缘层(如fp4/pp)，3为铜箔，4为空气，5为气隙。
具体实施方式
[0082]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0083]
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
[0084]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0085]
实施例1
[0086]
如图1所示，本发明提供一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，包括：
[0087]
获取磁元件的参数；
[0088]
根据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；
[0089]
计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。
[0090]
总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和，各部分电阻独立计算。其中，
边缘电阻表示为无穷级数，采用部分和的方式在实际应用中近似计算。
[0091]
其中，总铜损电阻是直流电阻的一定倍数，算法通过修正直流电阻值以适应不同绕组形状，包括沿单方向拉伸的绕组，旋转对称的绕组，一层多匝的绕组等。
[0092]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0093]
实施例2
[0094]
本发明不同的气隙形状(垂直气隙、水平气隙等)对应不同的气隙函数，算法通过改变气隙函数的形式以适用于不同的气隙形状。
[0095]
带垂直气隙(气隙处磁场方向于铜层方向垂直)的pcb绕组平面电感的截面图如图2所示，电感沿中轴线对称。其中，电感总匝数为n，铜层宽度为dc＝2wc，窗口宽度为dw＝2ww，一半的气隙长度为hg，铜箔厚度为tc，绕组总高度(铜箔顶部到磁芯窗口底部的高度差)为h
wds
，铜箔顶部到磁芯窗口顶部的距离为h
gma
，平均绝缘介质间距为t
fr4
＝h
wds
/n
–
tc。该电感的气隙函数定义为
[0096][0097]
其中，θ＝πhg/ww。
[0098]
带平行气隙(气隙处磁场方向于铜层方向平行)的铜箔绕组电感的截面图如图3所示，它也沿对称轴对称，包括气隙。除气隙外，它的的各参数定义方式均与图2相同。该电感的右半平面共用p个气隙，且第i个气隙(1≤i≤p)长度为h
g,i
，距离对称轴xi，则气隙总长度为因此，该气隙形状可用归一化的气隙形状函数g(x
*
)数和气隙函数g
,m
表示为
[0099][0100][0101]
其中，x
*
＝πx/ww，θi＝πh
g,i
/ww。
[0102]
则从下往上数(从远离气隙到靠近气隙)，第n层(1≤n≤n)的电阻为对应的集肤电阻r
skin,n
、临近电阻r
prox,n
和边缘电阻r
fring,n
之和。
[0103]rac,n
＝r
skin,n
+r
prox,n
+r
fring,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0104]
式中，n为绕组铜层综述，n为被计算的铜层序。
[0105]
其中，第n层的集肤电阻、临近电阻为
[0106][0107]
[0108]
相应的长度为l的沿单方向拉伸绕组的直流电阻定义为
[0109][0110]
式中，dc＝2wc为绕组层宽度，tc为绕组层铜厚，σ为绕组铜电导率，η＝dc/dw为铜填充系数。
[0111]
而边缘电阻表示成无穷级数的形式
[0112]rfring,n
＝r
dc,nn2vn (8)
[0113][0114]wn,m
＝s
esc,m
|q
esc,n,m
|2+s
osc,m
|q
osc,n,m
|
2 (10)
[0115][0116][0117][0118][0119][0120][0121][0122][0123][0124]
式中，r
dc,n
为第n层绕组的直流电阻，n为绕组铜层总数，gm为表示气隙形状的气隙函数，根据气隙形状选择，包括但不限于上文的g
⊥
,m
或g
||,m
。
[0125]
对于垂直气隙，气隙函数gm取(1)；对于水平气隙，气隙函数gm取(3)。另外，其他各
归一化变量分别定义为
[0126][0127][0128][0129][0130][0131][0132][0133]
这里，频率为f，磁常数为μ0，铜电导率为σ。
[0134]
对于图4所示的旋转轴对称的绕组，(7)中的直流电阻应修正为
[0135][0136]
其中，r
ci
为绕组内半径，r
co
为绕组外半径，θ为绕组旋转的角度。
[0137]
对于图5所示的一层多匝的绕组，(7)中的直流电阻和(20)中的铜填充系数应分别修正为
[0138][0139][0140]
最终，整个电感共n层绕组的铜损总电阻为：
[0141][0142]
式中，第n层的总铜损电阻为r
ac,n
，集肤电阻为r
skin,n
，临近电阻为r
prox,n
，边缘电阻为r
fring,n
；绕组总的集肤电阻为r
skin
，临近电阻为r
prox
，边缘电阻为r
fring
[0143]
在实际计算中，边缘电阻在(9)中的参数vn是一个无穷级数，需采用部分和的方式进行近似计算，即(31)用中的vn'代替vn进行计算。
[0144][0145]
这里项数m的确定方法为：
[0146]
根据所需精度需求设定精度参数d和增量误差ε，从m＝1开始对vm进行加和计算，若m≥d/λ或v
m-v
m-1
≥ε，则停止计算，当前的m值即为m，所得的和即为vn'。
[0147]
以一个6层6匝的pcb平面电感的铜损计算为例，电脑cpu为i7-11800h，使用有限元方法，以2d的comsol商用软件为求解器，求解时间为5秒钟，cpu使用率100％；而使用本方法计算，采用matlab作为求解器，求解时间为0.5秒，cpu使用率30％。算力需求大幅降低至30％，计算时间减少至1/10。本发明还提供一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算系统，包括：
[0148]
获取模块，用于获取磁元件的参数；
[0149]
计算模块，用于根据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；
[0150]
求和模块，用于计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。
[0151]
通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
[0152]
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

技术特征：
1.一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，包括：获取磁元件的参数；根据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。2.根据权利要求1所述的一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，所述获取磁元件的参数中，对于垂直气隙，气隙函数表示如下：带垂直气隙的pcb绕组平面电感沿中轴线对称，其中，电感总匝数为n，铜层宽度为d
c
＝2w
c
，窗口宽度为d
w
＝2w
w
，一半的气隙长度为h
g
，铜箔厚度为t
c
，绕组总高度为h
wds
，铜箔顶部到磁芯窗口顶部的距离为h
gma
，平均绝缘介质间距为t
fr4
＝h
wds
/n
–
t
c
；该电感的气隙函数为：其中，θ＝πh
g
/w
w
；对于平行气隙，气隙函数表示如下：带平行气隙的铜箔绕组电感沿对称轴对称，包括气隙；右半平面共用p个气隙，且第i个气隙，1≤i≤p，长度为h
g,i
，距离对称轴x
i
，则气隙总长度为气隙形状用归一化的气隙形状函数g(x
*
)数和气隙函数g
||,m
表示为表示为其中，x
*
＝πx/w
w
，θ
i
＝πh
g,i
/w
w
；其他各归一化变量分别定义为其他各归一化变量分别定义为其他各归一化变量分别定义为其他各归一化变量分别定义为其他各归一化变量分别定义为
这里，频率为f，磁常数为μ0，铜电导率为σ。3.根据权利要求1所述的一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，第n层的集肤电阻r
skin,n
、临近电阻r
prox,n
为为相应的长度为l的沿单方向拉伸绕组的直流电阻r
dc,n
为式中，d
c
＝2w
c
为绕组层宽度，t
c
为绕组层铜厚，σ为绕组铜电导率，η＝d
c
/d
w
为铜填充系数。4.根据权利要求1所述的一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，边缘电阻表示为无穷级数，采用部分和的方式在实际应用中近似计算，具体包括：第n层的边缘电阻表示成无穷级数的形式r
fring,n
＝r
dc,n
n
2vn
w
n,m
＝s
esc,m
|q
esc,n,m
|2+s
osc,m
|q
osc,n,m
|2其中，g
m
为气隙函数，根据气隙形状选择；为气隙函数，根据气隙形状选择；为气隙函数，根据气隙形状选择；为气隙函数，根据气隙形状选择；
式中，r
dc,n
为第n层绕组的直流电阻，n为绕组铜层总数。5.根据权利要求4所述的一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，所述边缘电阻在中的参数v
n
是一个无穷级数，需采用部分和的方式进行近似计算，用中的v
n
'代替v
n
进行计算：其中，项数m的确定方法为：根据所需精度需求设定精度参数d和增量误差ε，从m＝1开始对v
m
进行加和计算，若m≥d/λ或v
m-v
m-1
≥ε，则停止计算，当前的m值即为m，所得的和为v
n
'。6.根据权利要求1所述的一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，所述计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和，包括：从远离气隙到靠近气隙，第n层的总铜损电阻r
ac,n
为集肤电阻r
skin,n
、临近电阻r
prox,n
和边缘电阻r
fring,n
之和，1≤n≤n；r
ac,n
＝r
skin,n
+r
prox,n
+r
fring,n
式中，n为绕组铜层综述，n为被计算的铜层序。7.根据权利要求1所述的一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法，其特征在于，所述总铜损电阻是直流电阻的倍数，通过修正直流电阻值以适应不同绕组形状，包括沿单方向拉伸的绕组，旋转对称的绕组，一层多匝的绕组；旋转轴对称的绕组，直流电阻应修正为其中，r
ci
为绕组内半径，r
co
为绕组外半径，θ为绕组旋转的角度；一层多匝的绕组，直流电阻和的铜填充系数应分别修正为
最终，整个电感共n层绕组的铜损总电阻为：式中，第n层的总铜损电阻为r
ac,
，集肤电阻为r
skin,
，临近电阻为r
prox,
，边缘电阻为r
fring,
；绕组总的集肤电阻为r
skin
，临近电阻为r
prox
，边缘电阻为r
fring
。8.一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取磁元件的参数；计算模块，用于根据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；求和模块，用于计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。

技术总结
本发明公开了一种用于电力电子磁性元件铜损的解析计算方法及系统，方法包括：获取磁元件的参数；据所述磁元件的参数分别计算集肤电阻、临近电阻和边缘电阻；计算磁性元件总铜损电阻，总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和。总铜损电阻是集肤电阻、临近电阻和边缘电阻之和，各部分电阻独立计算。其中，边缘电阻表示为无穷级数，采用部分和的方式在实际应用中近似计算。该方法适用于电力电子磁件的PCB或铜箔绕组铜损的解析计算，该方法具有计算速度快，计算准确性高，适用范围广的特点。适用范围广的特点。适用范围广的特点。


技术研发人员：尉哲元 杨旭 高清源 徐宇航 陈文洁 吴佳芮 周永兴 王康平 王来利 张帆 董宿宸 秦梦洁 肖尧
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/9