基于ANSYS-maxwell的电感设计与仿真校验

2018年第5期信息通信2018(总第185期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No185)基于ANSYSmaxwell的电感设计与仿真校验翟方宇，孙培德(东华大学信息科学与技术学院，上海201620)摘要:针对在电感设计中，影响其设计结果参数过多。提出了从能量存储、磁心的饱和磁感应强度、线圈损耗等方面考虑的电感设计方法，从而提高电感设计的精确度,优化带气隙电感设计，建立简洁的磁心损耗计算公式,并对电感进行建模。利用有限元分析软件ANSYSMaxwell对电感模型进行仿真实验。绕制电感样品进行仿真校验,实验结果与理论分析吻合。关键词：电感设计；气隙;磁心损耗;AXSYSMaxwell中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号：1673-1131(2018)05-0072-03InductanceDesignAndSimulationVerificationBasedOnANSYSMaxwellZhaiFangyu,SunPeide(InformationScienceandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620sChina)Abstract:Forinthedesignofinductance,toomanyparametersaffectingthedesignresult.Thedesignofinductancedesign,whichhasbeenconsideredintermsofenergystorage,magneticcoresaturationmagneticinduction,coilloss,andsoon,toin­creasetheaccuracyoftheinductancedesign,optimizethedesignofairgapinductance,establishasimplemagneticcorelosscalculationformula,andmodeltheinductance.UsingthefiniteelementanalysissoftwareANSYSMaxwelltosimulatethein-ductancemodel.Theexperimentalresultsareinaccordancewiththetheoreticalanalysis.Keywords:Inductivedesign；airgap;Coreloss;AXSYSMaxwel〇引言随着电力电子技术的进步，在整流器中使用高频铁氧体磁心电感变得越来越多。然而由于铁氧体介质中的B-H曲线是非线性，使电感量的计算变得很复杂,现有的计算公式又多且各不相同，使读者无所适从[1_2345]67。因此本文通过对几种不同的电感设计方法进行分析，整理出一套工程上实用的电感设计方法。然后计算带气隙的铁氧体电感的主要参数。使用先进的有限元磁场分析工具ANSYSMaxwell对电感进行建模仿真，提高了仿真精度和效率。并通过ANSYSMaxwell的仿真模型与实际测量进行对比校验。1电感设计方法1.1磁心线圈设计大部分的电感是没有标准化产品，所以需要定制加工，现在比较常用的电感设计方法为AP法[1]。即用磁心的截面积Ae和窗口截面积Aw的乘积来确定该磁心的容量。[2]REDMONJ,FARHADIA.YOLO9000:Better,Faster,Stronger[J].ComputerVisionandPatternRecognition.2016.[3]DALALN,TRIGGSB.Histogramsoforientedgradientsforhumandetection[C],IEEEComputerSocietyConferenceceedingsoftheIEEEconferenceoncomputervisionandpatternrecognition.2015:779-788.[9]SZEGEDYC,LIUW,JIAY,etal.Goingdeeperwithcon­volutions[Cl,ComputerVisionandPatternRecognition,onComputerVision&PatternRecognition,2005,886-893.[4]DOLLaRP,TUZ,PERONAP,etal.IntegralChannelFea-tures[C]sBritishMachineVisionConference,BMVC2009,London,UK,September7-10,2009.Proceedings,2009.[5]FELZENSZWALBPF,GIRSHICKRB,MCALLESTER2015,1-9.[10]SIMONYANK,ZISSERMANA.VeryDeepConvolutionalNetworksforLarge-ScaleImageRecognition!!J].ComputerScience.2014.[11]RUSSAKOVSKYO,DENGJ,SUH,etal.ImageNetLargeD，etal.ObjectDetectionwithDiscriminativelyTrainedPart-BasedModels[J].IEEETransactionsonPatternAnaly­sis&MachineIntelligence.2014,47(2):6-7.[6]SERMANETP,EIGENDsZHANGX,etal.OverFeat:In­tegratedRecognition,LocalizationandDetectionusingConvolutionalNetworks[J].EprintArxiv.2013.[7]RENS,HEK,GIRSHICKR,etal.FasterR-CNN:towardsScale\^sualRecognitionChallenge[J].InternationalJournalofComputerVision.2015,115(3):211-252.[12]LIUW,ANGUELOVD,ERHAND,etal.SSD:SingleShotMultiBoxDetector[J].Europeanconferenceoncomputervi­sion.2015:21-37.基金项目：国家自然科学基金(61471124);福建省科技重大项real-timeobjectdetectionwithregionproposalnetworks[C],目（2017H6009);赛尔网络创新项目（NGII20160208,InternationalConferenceonNeuralInformationProcessingSystems,2015,91-99.[8]REDMONJ,DIWALASsGIRSHICKR,etal.YouOnlyLookOnce:Unified,Real-TimeObjectDetection[J].Pro-NGII20170201)作者简介:黄立勤(1973-)男，博士，教授。主要研究方向:高性能计算、人工智能与机器学习、医学图像处理等;朱飘(1992-)男，硕士，学生。主要研究方向:计算机视觉、人工智能。72信息通信翟方宇等:基于ANSYSmaxwell的电感设计与仿真校验4LI__naA=AAp^*4NTLIIaBKJmCl)式中:L为电感量;I为电感电流有效值;I„为电感电流峰值;B„为最大磁感应强度;K«为窗口系数;N线圈匝数;j为导线电流密度；根据式（1)计算的AP值，对照铁氧体磁心产品手册选择AP大于计算结果的磁心型号。ArLImN=JJ'Saeu0N2AeL(2)式中:u〇为真空磁导率；根据式(2)确定绕组匝数。由于气隙的边缘效应的影响,根据式（2)计算得到的气隙长度比实际需要的值偏小。而且使用该方法确定磁心时，会与许多因素有关，通常还需要计算电感损耗和温升等指标，校验磁感应强度和计算损耗时需要迭代计算,出现计算反复，计算过程不精确且复杂。从电感的能量存储、磁心的饱和磁感应强度、线圈损耗和电感温升这几个方面选择磁心,提出了新的方法计算AP值B]。■i.yj\+yKtLIm^g/7HyjKAT式中:AT为最大温升;R为电流波形系数;y铁损与铜损之比;1^典型常数48.2X103;电感设计中，磁导率的选择是受约束的，其约束条件为最大磁感应强度和磁心损耗，为满足约束条件，并且通过磁心的有效磁导率、最大磁感应强度、线圈损耗和磁心的物理尺寸计算出最优磁导率如式(4)。B1K,u,=—,*r*„W,⑷pwULT式中:L为磁心平均磁路长度;为铜导线电阻率;PD为磁心最大损耗;MLT为平均每匝绕线长度；式(4)表明对于一个给定的磁心，若已知窗口面积和平均每匝绕线长度MLT,则&由最大磁感应强度和最大损耗决定。根据厂家给出的磁心热阻和最大温升可以求得P。。对于三相整流器电感其工作电流较大，为保证磁心在较大电流下不饱和，需要在磁心中插入气隙，因为加入磁心以后将减小B-H特性斜率，意味着可以以更低的电感为代价获得更大的电流，储存更高的能量。大多数磁心材料特性随着温度、磁通量大小、样式和生产厂家不同而不同，增加气隙可以减少整体电感对这些参数的依赖，使电感值可计算性增加，并且与磁饱和、磁滞、矫顽力相关联的问题都将被弱化。气隙和电感值计算如下式(5)。uAoe但是在高磁导率磁路上开了气隙以后，几乎全部的激励磁场加在了气隙上，特别在气隙比较大的时候，气隙边缘和邻近的磁路上存在严重的边缘磁通和外部的杂散磁通，称之为气隙边缘效应，实际应用中根据横截面长度和宽度各叠加一个气隙长度，整体电感增加量如下'r；-L(a+^)(b+^)ab(6)式中:a，b为气隙横截面的长和宽；通过给定的电感值由式(5)和式(6)就能计算出所需线圈匝数和气隙。根据式（7)可以计算出导线的尺寸大小。进行最大磁感应强度校验与窗口面积校验，保证选择的导线和匝数符合所选定的窗口面积Ku。j=k.Va74_i爾，7(7)式中:A。为导线横截面积。1.2磁心损耗计算方法电感损耗可以分为磁心损耗和线圈损耗。磁心损耗又分为磁滞损耗和涡流损耗，这些损耗与磁心的磁化、磁心的工作频率、磁心的磁通密度等诸多因素相关，损耗将引起磁心发热，使得磁元件温度升高，绝缘材料的温度等级和设计的最大温升都限制了元件的最高温度，也就限制了磁心损耗。通过厂家提供的损耗曲线拟合的方法得到的计算结果，并且每个电感工作的环境都各不相同，通过这样既计算方法无法得到比较准确的损耗计算。本文介绍一种在实际应用中，当电流纹波很小时，电流的波动是产生磁心损耗的主要原因，该损耗可以用斯坦梅茨公式[3]式(8)做初步计算。P!e=VKcfaBi(8)式中:V。为磁心体积;f为磁心工作频率;K^cup为常量,由磁心厂商提供。2仿真模型建立ANSYSMaxwell是业界领先的电磁仿真软件，用于电机、作动器、电感、变压器、磁性传感器等各种机电产品开发的电磁场分析工具。在本文中主要介绍对电感仿真设计[47]。图1磁心和线圈模型对于一个功率2KW的交流侧电压三相220V,直流侧电压600V,允许温升45°C的三相整流器来说，根据上文讨论的设计方法设计三相整流器电感。其设计结果如表1。表1参数值电感20mH磁心EE85/88/32气隙7.4mm匝数270窗口利用系数0.8导线截面枳1.5mm电流密度200A/cm*总损耗7.42W最大磁感应强度0.2T73信息通信翟方宇等:基于ANSYSmaxwell的电感设计与仿真校验2.1建立磁心模型依据表1的参数，首先利用ANSYSMaxwell的建立立体磁心模型Core_EE和线圈模型Coil。为建立好&磁心模型设置材料参数，右键工具栏的Solids下的子模块选择Properties,选择软件自带的材料或者增加你需要的材料，这里我们增加一个PC40_1的材料，如图2,