基於直流偏置下的非線性電感損耗測量方法
2023-06-13 18:41:26
專利名稱：基於直流偏置下的非線性電感損耗測量方法
技術領域：
本發明涉及損耗測量方法，特別涉及磁性元件中的鐵損測量，可用於直流偏置情況下對非線性電感損耗的測量。
背景技術：
由於磁性元件中鐵損測量的特殊性，不同工況下，鐵損的估算一直是困擾學界、業界的難題之一。近幾十年來，有限元方法被廣大工程技術人員和科研人員所採用=Basak採用有限元法開發了一款用來分析三相三臂變壓器鐵芯的磁場分布和損耗分布的軟體；Ansys和Ansoft公司也推出了基於有限元法的嵌入式鐵芯損耗測量模塊軟體。但是測量電感鐵芯損耗時還是遇到了諸多問題，究其原因有以下幾點首先，由於在一般的工作情況下，電感鐵芯總是應用於較大的直流電流偏置的環境下，而在這些直流偏置的影響下，損耗會有很大的不同，所以，電感鐵損問題的分析需要在電感的平均電流和電感上電壓伏秒值均為穩態時進行，而常見的有限元軟體需要經過很長的時間才能達到穩態，這導致求解的 過程過於漫長；其次，電感部分飽和的情況在實際生產中比較常見，如磁飽和電感、瞬態尖峰吸收電感、LTCC電感等在實際工作中都會有飽和的現象產生,而根據Stienmetz公式表明，損耗是與磁感應強度的振幅ΛΒ有關，需要準確測量損耗的時候，必須要按照鐵損密度的梯度關係來進行網格劃分，否則，將會產生較大的誤差；最後，由於電感的這種飽和現象，電流波形並非三角波，如何確定施加電壓激勵的起始點，保證施加後的電流響應與穩態工作的電流波形一致，成為可靠獲得一個周期內ΛΒ的關鍵。
發明內容
本發明的目的在於針對上述已有技術的不足，提出一種基於直流偏置下的非線性電感損耗測量方法，以提高磁芯損耗的測量速度和準確性。實現上述目的的技術方案包括如下步驟(I)用千分尺量出被測電感的尺寸，得到電感的幾何參數；(2)在有限元軟體中，按照電感的幾何參數建立大小與實際電感相同的有限元模型，並將電感模型用平均網孔法進行網格劃分，任意設定每個單元的體積，記為V，形成大小相同的N個單元；(3)計算電感模型應施加的電壓激勵U，使電感模型中的電流達到設定的偏置電流Id。，該偏置電流為電感所在的實際電路中的平均電流值；(4)對電感模型施加一個周期信號V(D)，該周期信號V(D)高電平和低電平的幅值為電感所在實際電路中電感兩端等效電壓信號的幅值；該周期信號開始的高電平施加時間佔整個周期的比值V(D)記為前項佔空比D，調整電感模型應施加周期信號的前項佔空比D，得到最終的周期信號V』(D)，再將該周期信號V』 (D)施加給電感模型，使電感模型中的電流與電感所在的實際電路中的電流波形一致；(5)在有限元軟體中求得電感磁芯在一個周期內磁感應強度的振幅Λ B ；
(6)通過Stienmetz方程計算每個單元的磁芯損耗密度P = k(Hdc) Δ Ba f0,式中kOU為直流磁場強度的函數，f為頻率，a和β分別為Stienmetz磁感應係數和頻率係數；(7)將每個單元的磁芯損耗密度P與每個單元的體積V相乘，得到每個單元的磁芯損耗，再對每個單元的損耗求和，得到整個磁芯的總損耗L
權利要求
1.一種基於直流偏置下的非線性電感損耗測量方法，包括如下步驟 (1)用千分尺量出被測電感的尺寸，得到電感的幾何參數； (2)在有限元軟體中，按照電感的幾何參數建立大小與實際電感相同的電感模型，並將電感模型用平均網孔法進行網格劃分，任意設定每個單元的體積，記為V，形成大小相同的N個單元； (3)計算電感模型應施加的電壓激勵U，使電感模型中的電流達到設定的偏置電流Id。，該偏置電流為電感所在的實際電路中的平均電流值； (4)對電感模型施加一個周期信號V(D)，該周期信號V(D)高電平和低電平的幅值為電感所在實際電路中電感兩端等效電壓信號的幅值；該周期信號V(D)開始的高電平施加時間佔整個周期的比值記為前項佔空比D，調整電感模型應施加周期信號的前項佔空比D，得到最終的周期信號V』(D)，再將該周期信號V』 (D)施加給電感模型，使電感模型中的電流與電感所在的實際電路中的電流波形一致； (5)在有限元軟體中求得電感磁芯在一個周期內磁感應強度的振幅AB; (6)通過Stienmetz方程計算每個單元的磁芯損耗密度P = k(Hdc) ABafe, 式中k(HD。)為直流磁場強度的函數，f 為頻率，a和0分別為Stienmetz磁感應係數和頻率係數； (7)將每個單元的磁芯損耗密度P與每個單元的體積V相乘，得到每個單元的磁芯損耗，再對每個單元的損耗求和，得到整個磁芯的總損耗L N (8)重新對電感模型進行網格劃分，使新劃分網格後每個單元的體積V』小於最開始網格劃分後的體積V，計算得到新的磁芯損耗L』 ； (9)設定誤差標準e，若|L-L'|/L』 ( e ,則將L作為最終磁芯損耗；若|L_L' /L』 > e，則將磁芯劃分為體積更小的單元，重複步驟(2)-(9)重新計算磁芯損耗，直到滿足L-L，I /L，彡 e。
2.根據權利要求I所述的方法，其中步驟(3)所述的計算電感模型應施加的電壓激勵U，按如下步驟進行 (3a)選取兩個電壓值U1和U2作為電壓激勵,設定U1為0, U2任意選取一個大於0的值，電壓激勵時間h為任意大於0的值； (3b)將電壓激勵U1和U2分別施加在電感模型上，經過h時間後，得到電感模型中的電流值I1和I2 ; (3c)將電流值I1和I2與設定的偏置電流Id。分別做差，並將兩差值相乘，得到乘積A為A = (He) (I2-Idc)， (3d)根據上式的乘積結果，選擇電壓激勵u3: 若乘積A大於0，則重新選取電壓激勵U2值，重複步驟(3a) - (3c)，直到該乘積小於0為止;
3.根據權利要求I所述的方法，其中步驟(4)所述的調整電感模型應施加周期信號的前項佔空比D，得到最終的周期信號V』(D)，按如下步驟進行 (4a)選取兩個不同的前項佔空比D1和D2，設定D1為0，D2任意選取一個大於0值；(4b)將兩個不同前項佔空KD1和D2的周期信號施加在電感模型上，經過一個周期後，得到電感模型中的電流值I1和I2 ； (4c)將電流值Ip 12與設定的直流偏置電流Id。分別做差，並將兩個差值相乘，得到乘積為C = (I1-Idc) (I3-Idc); (4d)根據上式的乘積結果C，選擇周期信號的前項佔空比D3若乘積C大於0，則重新選取D2值，重複步驟(4a) - (4c)，直到乘積C小於0為止；若乘積C小於0，則選取D1和D2的平均值D3,將前項佔空比為D3的周期信號施加到電感模型上，在電感模型中產生電流13，D3的計算公式為
全文摘要
本發明公開了一種基於直流偏置下的非線性電感損耗測量方法，主要解決現有技術求解非線性電感磁芯損耗速度慢的問題。其實現步驟是先量出被測電感的尺寸，得到其物理參數；在有限元軟體中建立電感模型，並對其進行網格劃分；對電感模型施加電壓激勵，使得電感模型中的電流值等於設定的偏置電流；當電感模型中的電流到達偏置電流後，對電感模型施加周期信號，使得電感模型中的電流波形與實際電流一致；用Stienmetz方程計算磁芯損耗密度，最終通過求和得到整個電感磁芯的損耗。本發明具有測量速度快、精度高的優點，可用於電路設計。
文檔編號G01R27/26GK102768307SQ20121025541
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月20日 優先權日2012年7月20日
發明者張鈺, 王培康, 王駿飛, 鄭峰 申請人:西安電子科技大學