基于PEEC的WPT系统磁芯结构建模

磁耦合机构作为无线电能传输的核心部分,直接决定系统的传输性能。目前广泛采用加装磁芯来提高耦合机构的传输性能。然而加入磁芯后,线圈与磁芯的融合建模及协同设计问题,目前多依赖于电磁仿真软件及二维分区建模,该方法无法量化磁芯参数对系统传输性能的作用。此处基于部分元等效电路(PEEC)对磁芯进行建模,根据磁性材料特性分别从涡流、磁化强度两方面构建磁芯二元模型,并引入退磁因子对磁化强度模型进行修正。基于电场积分方程构建了以磁芯涡流、节点电压和磁化强度为未知量的解决矩阵,实现了线圈与磁芯融合建模。在融合建模的基础上,基于矢量磁位提取了带芯线圈的自感系数,将建模结果与商用仿真软件及实验进行对比,其误差控制在5%以内,验证了建模结果的准确性。带芯线圈自感参数量化了磁芯对线圈的附加耦合作用,为磁芯结构设计提供理论支撑。

部分元等效电路理论在无线电能传输系统中的应用研究

磁耦合谐振式无线电能传输技术凭借其传输距离远、传输效率高等优势逐渐成为了无线电能传输方面研究的热点,而磁耦合谐振系统的设计和优化依赖于准确的参数计算和系统性能计算。针对这一问题提出采用部分元等效电路PEEC(partial element equivalent circuit)法进行计算。首先介绍了PEEC的基本理论以及部分参数的计算方法,然后建立耦合线圈的部分元等效电路模型,对平面矩形螺旋线圈的自感和互感进行计算,通过计算结果和实验结果的对比验证了PEEC法计算参数的高效性和准确性。在此基础上,分别建立了双线圈系统和单共振磁耦合谐振式无线电能传输系统,采用PEEC法结合电路法对2个系统的传输特性分别进行了研究和分析,并通过与有限元法计算结果的对比,验证了所提方法的准确性和快速性。

基于PEEC的阵列解耦式WPT系统设计与研究

为实现给多个小型电子设备灵活充电,此处设计了一种基于正六边形线圈单元结构的三层交错排布阵列式线圈结构。其主体结构为中间层布置一个线圈,首层与底层分别对称排布3个线圈,且每层线圈间两两解耦。采用部分元等效电路法(PEEC)提取正六边形线圈的电感参数,构建相邻线圈的交叉位置与互感的关系,模型计算表明,当相邻线圈间重叠尺寸为32.42 mm时,线圈实现解耦;在主线圈中设计串联的副线圈来实现单元线圈的耦合磁场均匀分布,该设计使单元线圈与负载间的互感提升约40%。最后提出一种负载坐标定位方法,通过定位负载中心与阵列交错线圈的位置,可启动单线圈、双线圈或三线圈发射模式,实验验证阵列结构可确保负载在不同位置时能够可靠供电。

基于局部元等效电路原理对混合封装电力电子集成模块内互感耦合的研究

低压大电流混合封装电力电子集成模块(IPEM)内部功率电路与控制和驱动电路之间的互感耦合是电磁干扰的主要途径之一,为了准确预测电磁干扰的强度,需要对耦合互感进行精确计算,文中针对这个问题展开研究。首先,分析了功率电路的高频环流问题;其次,采用局部元等效电路(PEEC)原理对高频环流回路与典型控制和驱动回路之间的耦合互感进行了计算;最后,通过仿真和实验对计算结果进行了验证,表明该文对高频环流的干扰分析以及对耦合互感的计算方法是正确并且有效的。

计及部分电容的接地回路高频电路模型

建立相对精确的接地回路电路模型,研究接地回路的阻抗频率特性,对研究接地回路的传导干扰具有重要意义。首先建立了一个大尺寸的接地回路实物模型,运用PEEC方法求出各部分参数并建立了考虑部分电容作用的等效电路模型。实测和仿真的阻抗频率特性非常吻合,证明用PEEC方法分析研究大尺寸接地回路的高频阻抗特性是可行的,拓展了PEEC方法的应用领域。另外,在用HP4395A阻抗分析仪测量高频阻抗频率特性时,为屏蔽外界电磁干扰,应该对被测模型加屏蔽罩并可靠接地。

高速背板互连的信号完整性仿真方法

提出了一种高速背板互连的信号完整性仿真方法。高速接插件的厂商只提供参数模型,借助矢量拟合方法可以推导出电路模型,再使用部分元等效电路法仿真走线得到等效电路模型。推导出联合仿真的方法,实现了高速背板互连的信号完整性仿真。通过等效电路的仿真结果和厂商提供的原始参数进行的比较,以及部分元等效电路法与商用软件仿真结果的比较验证了等效电路的正确性。最后对完整的板间互连通道进行了仿真,并将最终的仿真结果与商用软件的仿真结果进行了比较,证明了所提方法的正确性,给出了整个通道眼图仿真分析结果。

基于PEEC法的发电机定子绕组线棒高频电路模型

建立合理的电机定子绕组电路模型,对于研究定子绕组绝缘局部放电信号的传播规律,了解局部放电信号的特征具有重要意义。部分元等效电路(PEEC)法是基于电磁场方程推导出来的等值电路模型,能够对一些用传统方法难以建模的复杂物理结构建立合理的电路模型,并且所建模型可以方便地与其它模型(比如传输线模型)综合连接、计算仿真,该方法还能够综合考虑外部测量电路的影响,在集成电路高频电路模型建立中有广泛的应用。本文采用PEEC法原理,建立了电机定子绕组单根线棒高频电路模型和双根线棒的耦合传播模型,此方法克服了以往多导体均匀传输线理论在电机定子绕组电路模型建立中的不足。模型中的部分电感、部分电容等参数由PEEC原理结合相关计算软件求得。模型的仿真计算与实验结果比较,证实了所建模型的有效性及参数的准确性。

基于完备集合思想的多导体部分电感计算方法

随着串联电容器补偿技术在中国电网的广泛应用,迫切要求对影响其运行可靠性的快速暂态过程进行研究,以采取必要的防范措施。为了适应对串补装置中多导体系统应用部分单元等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)方法建模的要求,对复杂多导体系统的部分电感矩阵提取方法进行了研究。构建了一个能够描述任意空间导体元段对位置关系的完备集合,针对集合中每一种位置关系元素采用特定的解析公式,设计出一种可用于复杂多导体系统部分电感工程计算的通用方法。实验表明,所编制的计算程序(LPCal)的计算精度可以满足快速暂态过电压工程计算的要求。

基于PEEC方法的平面电路EMC问题分析

提出了基于部分元等效电路 (PEEC)方法求解印制板电路电磁兼容问题的新方法 .即将印制板电路的辐射问题分为两步 :(1 )用部分元等效电路的方法确定印制板导体上的场源 (电流 )分布 ;(2 )将所有电流元的辐射场进行叠加求总的辐射场 .文中对上述方法进行了分析 ,在此基础上通过一个对称电路和一个非对称电路的辐射场计算 ,提出了一些工程设计中减小辐射的设计准则 .

基于PEEC方法的片内螺旋电感建模

采用部分元等效电路方法,结合近似的三维闭式格林函数,在10GHz以下的频率范围提出了一种针对有耗硅衬底上螺旋电感的准静态建模新方法.该方法充分考虑了有耗的硅衬底、趋肤效应、接近效应等因素对螺旋电感电特性的影响,通过与全波分析方法对比,证明在相当宽的频率范围该方法是有效、可行的,可广泛应用于微波和射频硅集成电路的优化设计和仿真.

脉冲功率同轴电缆瞬态阻抗特性研究

脉冲电源系统通过大功率特种同轴电缆对发射装置进行瞬时脉冲放电,同轴电缆在瞬时脉冲大电流工况下导体存在临近及趋肤效应,电缆阻抗特性发生瞬时变化。为此基于部分元等效电路法建立同轴电缆等效电路模型,分析了同轴电缆的时域和频域的阻抗特性,求解了同轴电缆导体截面电流分布及瞬态电压分布。提出采用频域矢量匹配法对同轴电缆的频域阻抗特性进行拟合,获得同轴电缆的Foster等效电路模型,该模型相对于部分元等效电路模型具有节点、支路少和适用性高的优点。最后,搭建脉冲电源放电试验平台,进行不同电压等级放电试验,获取了同轴电缆瞬态电压曲线,并与仿真结果进行对比,实验结果验证了理论分析的正确性。

基于Krylov子空间中Lanczos算法的金属导体部分元等效电路模型缩减

针对金属导体部分元等效电路模型的渐近波形估算(waveform evaluation,AWE)方法缩减的数值病态问题,提出使用基于Krylov子空间的Lanczos算法对系统模型进行缩减,将直接矩量显式计算转化为间接矩量隐式计算,将主导极点的抽取转化为主导特征值的抽取,并对系统近似误差限和程序自动终止准则进行了分析计算。在此基础上,给出了独立于频率之外的简化等效电路模型,得到了解耦电阻电感参数,并通过计算实例验证了该方法的正确性。该文的研究成果克服了AWE等直接矩量显式计算只能提取有限几条缩减支路的不足,极大提高了模型缩减方法的有效性和普适性。

压装组件中圆柱形母线的部分电感计算方法

在大功率变换器、高压直流断路器等含有电力电子器件的设备中,大尺寸圆柱形压接母线与平板压装型器件配合使用的现象普遍存在。开关器件通断过程中,母线杂散电感的存在会造成强烈的电磁干扰,因此对母线杂散电感的准确提取进而对其结构进行优化配置是设备电磁兼容设计中必不可少的环节。该文针对压装组件中的圆柱形母线导体,基于部分单元等效电路理论提出了一种通用的部分电感计算方法。该方法采用圆环单元进行剖分,考虑了圆形截面导体的中心对称特性,与传统矩形和三角形剖分方法相比,计算结果更为准确且可有效提高计算效率。此外,现有的基于圆环单元剖分的计算方法仅适用于导体的长度大于横截面直径的情况,而文中所提方法不存在任何限制条件,具有普遍适用性。结合典型算例并通过与几种现有计算方法对比,验证了所提计算方法在准确性和计算效率方面存在的优势。

混合电磁结构磁性部分元等效电路建模技术的解析及实验研究

磁性材料在电磁结构中广泛应用,而传统(标准)部分元等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)方法对包含磁性材料的各种结构进行分析时已无能为力。针对基于几何平均距离和空间磁介质均匀化处理的新型磁性PEEC建模方法(magnetic PEEC,MagPEEC),该文提出使用同轴电缆解析计算以及大型钢板耦合与邻近效应实验对该建模方法进行验证。利用解析法对给定同轴电缆单位长度电阻与电感参数进行了计算,并将计算结果与由MagPEEC建模计算的结果进行了比较;分大型舰船钢板差模回路耦合和共模回路耦合干扰两种情况,对MagPEEC建模计算的耦合阻抗进行了实验验证;利用所研制的钢板地电流测量装置在钢板中部进行测量,并将测量结果和MagPEEC理论计算的结果进行比较,从而实现金属壳体地电流测量和MagPEEC理论计算方法的直接验证。利用该文所提供的解析方法和3种实验方法,对MagPEEC建模技术进行了充分证明,为MagPEEC建模技术的推广使用奠定了基础。

(复合)土工膜防渗土石坝饱和非饱和渗流特性

分别采用完全饱和渗流及饱和非饱和渗流有限元计算理论,对(复合)土工膜防渗土石坝进行渗流场仿真分析,重点研究土工膜等效处理时不同厚度放大倍数下大坝渗流场变化规律,同时结合坝体土石料不同渗透特性,计算得到大坝渗流量和浸润线与土工膜厚度放大倍数之间的关系,并比较了按完全饱和渗流理论与饱和非饱和渗流理论计算结果的差别。结果表明:在坝体土石料渗透特性相同的情况下,土工膜不同厚度放大倍数时浸润线仅在土工膜等效区有较大差别,在膜后坝体部位基本保持不变;大坝渗流量与土工膜厚度放大倍数及坝体填料的渗透特性相关,按饱和渗流理论计算所得的大坝渗流量大于按饱和非饱和渗流理论计算得到的渗流量。

基于PEEC模型分析的H桥单元直流母线的改进设计

以广泛用于高压大容量功率变换的H桥单元逆变器为研究对象,将其直流母线改进为层叠母排结构,基于部分单元等效电路(PEEC)的方法建立了改进前、后母线的等效电路。对母线PEEC模型的等效参数进行分析表明,改进后母线的等效电感与等效电阻下降了一个数量级,而正负母线之间的等效电容增加了100倍以上。计及直流滤波电容组参数的电路仿真表明,在同样的开关暂态电流激励下,母线结构改进后,暂态电压的上升率和峰值比改进前减小了50%以上。试验与仿真结果符合较好,证明了改进是有效的。

串补装置中快速暂态过程的建模与时域求解

为了对间隙放电在串补平台设备上造成的快速暂态过电压进行评估,以部分单元等效电路(partial elementequivalent circuit,PEEC)为基础,提出了含有集中元件支路的考虑全部段间电磁耦合的复杂多导体系统建模方法。此外还对含有非线性元件的复杂多导体系统状态方程的时域求解方法进行了深入研究。典型算例下与EMTP计算结果的对比表明,该文采用的方法计算结果准确,此外与传统方法相比对于紧密耦合的复杂多导体系统(如串补装置)电磁暂态过程的仿真具有更好的适用性。

渐近波形估算方法在金属导体部分元等效电路模型缩减中的应用

利用部分元等效电路(PEEC)对金属导体进行建模后,通过对角解耦求取系统缩减等效电路时会耗费大量的计算时间和计算机资源。因此,本文根据缩减系统总导纳和原始电路总导纳相等的关系,将两种情况下的总导纳对复频率s进行幂级数展开并令对应的系数相等,得到了以解耦缩减等效电路参数为未知量的非线性方程。在此基础上,利用渐近波形估算方法(AWE)对系统进行缩减处理,给出了考虑集肤效应时独立于频率之外的解耦缩减等效电路模型,得到了对应的电阻及电感参数,并通过算例验证了该缩减方法的正确性。本文研究成果为PEEC方法和AWE模型缩减方法的广泛应用奠定了基础,具有较重要的理论和工程应用价值。

不均匀剖分方法在地回路耦合阻抗计算中的应用

部分元等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)是电路设计、集成封装和电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)分析等领域中强有力的工具。随着导体尺寸和频率的不断增加,有效的剖分方法变得越来越重要,因此必须对PEEC剖分方法进行系统研究。该文基于导体电流的分布规律,分析现有剖分方法的缺点,确定相等面积不均匀剖分数的计算方法,提出一种基于集肤深度的新型不均匀剖分方法,当频率较高或导体尺寸较大时,只需较少的剖分单元就可得到准确的计算结果,并经实验进行了验证。根据实际情况合理选择剖分方法,会节省大量计算机资源,具有非常重要的意义。

一种改进部分元等效电路模型及其在互连封装分析中的应用

提出了一种改进的部分元等效电路模型 ,它以矢量磁位的积分表达式和洛仑兹规范代替了矢量磁位和标量电位的积分表达式 ,对积分方程进行展开 .避免了复杂介质结构中的电容矩阵提取 ,节省了计算时间 .同时 ,它以描述系统的改进节点法方程 ( MNA)代替了具体的等效电路 .该模型可方便地嵌入更大的系统进行分层次的综合分析 .数值计算的结果与文献值吻合较好 。