开关电源高频平面变压器并联PCB线圈交流损耗建模及分析

并联PCB线圈可很好克服厚导体交流损耗大的不足,提高高频平面变压器的载流能力,但由于并联PCB线圈并联层间特有的环流效应,线圈设计变得十分复杂。通过建立并联PCB线圈交流损耗模型,对并联层间环流的产生机理及影响因素进行了深入分析。结果表明,电流频率、原副边线圈交叉换位与组内线圈交错、PCB厚度以及绝缘层厚度等对环流/线圈交流损耗均有很大影响。分析结果和系统化实现的模型为设计提供了方法和指导。实验验证了损耗模型的正确性。

开关电源高频功率平面变压器串并混联PCB线圈交流损耗模型

并联PCB线圈为高频大电流高功率密度开关电源平面变压器重要线圈结构之一,但其载流能力与线圈的设计、变化多端的连接方式以及工作条件等诸多因素有很大关系,必须通过建立线圈损耗模型才能够进行深入系统分析,并得到较优化的设计结果。基于由并联PCB线圈导体层所构成回路的电压平衡原理,结合涡流场场控方程建立了具有串并混联的长形与环形并联PCB线圈交流损耗解析模型。实验验证了交流损耗模型的正确性,并具有足够高的工程精度。

平面变压器任意并联PCB线圈损耗建模及设计软件开发

平面变压器并联PCB线圈的载流能力须通过建立线圈损耗模型及开发的相应软件,才能得到有效提高。基于涡流场场控方程与回路电压平衡原理,建立了任意并联长形和环形PCB线圈涡流损耗解析模型。根据线性系统叠加原理,进一步提出适用于任意连接方式的线圈损耗模型显式化处理方法及系统化编程算法,开发出具有友好人机界面的线圈损耗设计与分析软件。实验验证了损耗模型和算法是正确的。而系统化和实验相结合的方法验证开发的软件也是正确的,为设计高性能的并联PCB提供了强有力工具。

基于PCB绕组的盘式永磁同步电机温度场分析与冷却方式研究

盘式无铁心电机通常体积比较小,功率密度高。定子绕组采用印制电路板结构(printed circuit board,PCB)的盘式无铁心永磁同步电机,其温升直接影响着PCB基材和永磁体的性能。文中以基于PCB绕组的盘式无铁心永磁同步电机为研究对象,根据传热学原理,建立电机三维温度场计算的数学模型。采用有限元法对电机进行了温度场仿真分析,研究电机的发热以及电机各部件的温度情况。通过与实验数据对比,验证了所建模型的合理性和计算结果的准确性。最后通过增大电机机壳与PCB定子的接触面积研究电机温度的变化,优化了电机温升,为基于PCB绕组的盘式电机冷却方式的研究提供了一些参考依据。

轴向磁通反作用飞轮电机PCB绕组损耗优化研究

基于目前的卫星姿态控制反作用飞轮空间利用率低的现状,提出了一种基于PCB绕组和轴向磁通的超薄反作用飞轮,可以较大地提升飞轮空间利用率。根据PCB绕组的特点对PCB绕组的损耗进行了数值分析和有限元分析。首先采用数值分析的方法分析了PCB绕组涡流损耗和环流损耗的机理,然后又通过三维有限元方法,对不同的PCB绕组导体的并联情况和PCB绕组端部短路情况展开损耗研究。通过有限元仿真可以发现:PCB绕组在电流较大的情况下,建议采取多导体并联,其中在采取与PCB平面垂直的方向上并联,抑制损耗效果最为明显,但多层的PCB成本相对较高。在PCB同一层并联的情况下,多个并联导体忌在绕组端部采取短路,一旦采用单端短路结构,应该使被端部短路的多条支路在空间上差180°电角度。该研究对设计基于PCB绕组结构的永磁电机具有一定的指导意义。

PCB定子盘式电机的绕组形状设计研究

由于PCB定子能够达到很高的加工精度,定子绕组的形状也就有了很多选择。选取了基本的圆形、梯形和菱形绕组进行研究对比,并结合圆形与梯形的特点设计了一种新的绕组形状,使得绕组在能够得到较大的反电势的同时减小端部的长度,一定程度上减小铜耗。对比中保证在形状几何中心与轴心距离相同的情况下,梯形、菱形及最终设计的绕组的导线距离轴心的最大与最小距离相等。提出了一种绕组的解析模型,并使用有限元仿真分析对比几种绕组的反电势特点,实验验证了最终设计的绕组的性能。

PCB定子无铁心盘式电机绕组结构设计与优化

为改善盘式定子无铁心电机空载反电动势波形的正弦性和降低反电动势的高次谐波,本文提出了一种PCB绕组盘串联叠加的定子结构,且叠加的定子绕组盘之间具有角度差。首先采用理论的方法得到了电机绕组的基波和谐波反电动势有效值的解析式,并建立了电机绕组结构的优化模型以确定叠加绕组盘间角度差的范围。通过三维有限元分析,确定了最佳角度差。最后对样机进行空载反电动势实验,可以发现实验结果与仿真结果基本吻合,证明了本文提出的定子结构对提高电机反电动势正弦性的有效性。

PCB盘式永磁同步电机螺旋形绕组优化

印制电路板(printed circuit board,PCB)技术在盘式无铁心永磁电机中的应用大大简化了电机的生产制造工艺。PCB绕组的具体结构参数与绕组排布直接影响盘式电机的输出功率。该文基于一台应用于风力发电系统的盘式无铁心永磁同步电机,以提高其功率密度为目的,分析PCB绕组参数的约束关系和对优化目标的影响,提出通过改变绕组线宽来进行绕组优化的方案。首先建立电机的三维解析模型,推导出电机的反电动势等解析式,根据绕组结构参数计算绕组电感并分析绕组铜耗、绕组涡流损耗,以及铜耗与输出功率的关系;然后采用有限元法对电机进行仿真分析,探究绕组线宽对电机输出功率影响,仿真结果验证了解析分析的正确性。最后权衡各个影响因素,优化了电机功率密度,并设计了样机予以验证,为PCB盘式电机的设计提供一定的参考依据和实际工程价值。

平面型PCB变压器的设计

根据变压器工作原理和平面型PCB变压器的自身特点,对PCB变压器进行了研究。得出了变压器PCB板绕组的最优布置方式;在绕组损耗和磁芯损耗的数学模型基础上,找出最适当的磁芯几何形状,使变压器的损耗为最小,达到优化设计的目的。

高频差分绕线PCB罗氏线圈设计

本文深入分析了PCB罗氏线圈的干扰机理,为实现良好的抗干扰性与结构开启灵活性的有机结合,设计了一种应用于开启式结构的差分绕线PCB罗氏线圈,采用双半环拼接成整圈的结构设计,在每个半环内采用同线双绞差分绕制的方式以实现消干扰目的。借鉴添加回线的设计思想,采用差分绕线使去线与回线严格对称。通过实验测量其在8/20冲击电流波形输入下的各项工作性能,验证其具有良好的线性度和抗外界各类磁场干扰的性能,具有较高的准确度,可以广泛的应用于开启式结构的输电线路高频分量采集装置中。

基于LabVIEW的PCB平面绕组力矩电机状态监测系统设计

为了能够实时、精确地获取PCB平面绕组力矩电机的运行状态,设计了一种基于LabVIEW的PCB平面绕组力矩电机状态监测系统。采用电机电信号分析(ESA)和振动诊断技术融合的故障诊断方法,利用传感器采集PCB平面绕组力矩电机的电压、电流和振动信号,信号调理电路将传感器采集的信号转换成数据采集卡可采集的模拟电压信号,通过数据采集卡将数据传输到上位机,运用LabVIEW软件实现信号的实时采集、处理和显示,利用巴特沃斯滤波、改进小波变换算法对电压、电流和振动信号进行时域分析,利用快速傅里叶变换、功率谱进行频谱分析,实现对PCB平面绕组力矩电机的运行状态监测。实验表明,该系统能够实时、精确地实现信号的采集和显示,达到了对PCB平面绕组力矩电机状态监测的目的。

PCB平面谐振电感的损耗分析和优化设计

针对微波功率模块(MPM)集成电源绕线式谐振电感过热、高度高、效率低等问题,提出一种基于平面PCB绕组的谐振电感。依据电感的损耗分析模型,利用有限元仿真软件Maxwell对其进行绕组损耗分析,利用积分方程法对磁芯涡流损耗进行分析,通过Ansys仿真软件对其进行热仿真,设计出一款发热少、高度低、高效率的PCB平面谐振电感。

高频LLC谐振变换器的磁集成和一体化PCB绕组优化设计

研究了一种基于磁集成技术和一体化PCB绕组的高频高密度LLC谐振变换器的优化设计与实现方式。LLC谐振变换器的变压器与谐振电感被集成在一个磁芯中,通过将谐振电感配置在变压器副边以实现两个磁件之间更大的磁通相位差。有限元仿真结果表明,相比于分立磁件,集成磁件的体积降低了12%,磁芯损耗降低了23%。此外,为了减小PCB绕组层间电容引起共模噪声,研究了一种针对全桥整流电路的对称一体化PCB绕组实现方式,部分屏蔽层绕组集成为原边绕组以提高绕组利用率。最后,搭建了一台1.2 MHz-750 W-270 V/48 V的LLC谐振变换器,峰值效率达96.6%,功率密度达44 W/mm^(3),共模电流的对比测试结果也验证了所研究的一体化PCB绕组的有效性。

PCB盘式风力发电机分布式绕组优化

本文针对小型风力发电系统的印制电路板(PCB)盘式永磁发电机,以提高发电机的输出特性为目标,基于传统PCB分布式绕组型式提出了不等宽分布式PCB绕组,并进行了优化设计。首先建立了PCB绕组盘式电机的电动势和绕组损耗等数学模型,并采用有限元法对优化前后两种绕组型式发电机的绕组电阻、绕组损耗、温升及输出特性进行了计算和对比。分析结果表明,采用优化后不等宽分布式PCB绕组的发电机输出特性得到了明显提升;同时绕组电阻、绕组损耗及温升也相应降低。最后,本文制造了一台采用不等宽分布式PCB绕组的盘式风力发电机并搭建了实验平台,通过样机实验验证了有限元分析模型的正确性及不等宽分布式PCB绕组在盘式发电机中应用的优势。

高频供电条件下的PCB定子盘式永磁电机绕组优化设计

PCB定子盘式永磁无铁心电机的定子采用印制电路板(printed circuit board,PCB)结构,其电机的损耗主要来源于绕组上的交流附加铜耗和直流铜耗,因此定子绕组的设计直接影响电机整体性能。针对应用在较高频率且工况稳定的PCB电机,该文提出一种新型分布式绕组。首先建立反电势、直流铜耗、交流附加铜耗和电阻的解析表达式,分析PCB电机的空载特性。其次,以提高电机的效率为目的,提出在绕组有效导体部分加入绝缘材料。对新型绕组进行优化找到最合适的导体线宽,然后根据有限元理论对比分析新型分布式绕组和已有绕组负载特性。结果表明新型绕组不仅可以降低总铜耗,提高电机效率,有效降低定子稳定温升,并且新型结构也不会影响电机输出性能。最后制作一台16极600W样机进行验证,对PCB定子盘式永磁电机设计具有一定的参考价值。

PCB平面绕组力矩电机闭环反馈式驱动系统设计

针对PCB(printed circuit board)平面绕组力矩电机运转时平稳性的问题,采用能实现极低导通电阻的IRF2807PBF MOS管作为驱动电路的主要芯片,结合IR2010s驱动芯片以及STM32F103ZET6主控芯片搭建整体的驱动电路,提升了在慢速情况下电路的驱动能力。利用SS361RT霍尔磁性位置传感器,形成速度闭环反馈,并运用自抗扰控制算法对速度增量进行控制,使用PI(proportion integral)电流环对电流增量进行控制,最后通过SVPWM模块输出六路PWM(pulse width modulation)脉冲序列控制三相全桥电路中的各相MOS(metal oxide semiconductor)管导通,从而实现了一种针对PCB平面绕组力矩电机的PWM闭环反馈式平稳调速驱动系统。通过仿真和实验表明,相比于使用传统的PI速度环设计的电机驱动系统,该驱动系统在相同转速下能大大提升电机运行时的平稳性。将驱动系统用于光学生物测量仪PCB平面电机控制的延迟线部分,能使延迟线平稳低速运行,保证了测量精度。

柔性PCB绕组径向磁通微型永磁电机设计

采用无槽结构的高速微型永磁电机在检测设备、医疗器械等方面应用广泛,但无槽电机绕组制作复杂,使用绕组印制技术可以简化绕组的制作过程。目前已有的印制技术多以刚性印制电路板(PCB)为载体应用于轴向磁通电机,对于径向磁通的高速电机来说,刚性PCB已无法满足绕组沿圆周方向分布的需求,柔性PCB绕组应运而生,不过目前还没有完整的柔性PCB绕组电机设计方案。因此,设计了一款高速微型柔性PCB绕组电机,针对柔性PCB绕组特有的缠绕不等距问题,提出了使用平均半径的解决方案,并通过仿真对电机进行了分析。结果表明,平均半径法解决了绕组缠绕不等距的问题,所设计的柔性PCB绕组电机能达到电机技术要求且具有良好的热稳定性。

三相CLLC谐振变换器磁集成平面变压器设计与优化

三相CLLC谐振变换器凭借其高效率、大容量、低器件应力等优势而受到广泛关注。然而,多相结构的磁性元件数量多、体积大,是制约功率变换器尺寸的主要因素。随着宽禁带(WBG)半导体器件的出现,功率变换器的开关频率显著提高,这也为印制电路板(PCB)绕组的使用提供了有利条件。与传统绕线式绕组相比,PCB绕组的扁平特性更适用于平面磁性元件。此外,由于高频带来的低电感需求也使得基于PCB绕组的平面磁性元件更有利于实现集成。该文提出一种新型的基于PCB绕组的电感和变压器的集成结构,详细分析磁心结构的磁路模型,并给出集成磁件的优化设计方法,最后通过搭建一台基于SiC器件的800 V/10 kW的实验样机进行验证。实验结果表明,该集成方案可有效减小变换器的体积和损耗,具有高功率密度和高效率。

埋磁芯PCB高精度电感产品开发研究

随着电子产品日益系统化与集成化,将电感等无源器件埋入PCB的需求逐渐增加。文章提出了具有高可靠性和磁芯偏移量≤0.1 mm的磁芯埋入方案,解决了传统磁芯埋入易碎裂分层和偏移的问题。并通过精确计算进行绕线电感的设计,实现了电感精度达10%的环形磁芯PCB制作。此外还摸索出埋磁芯PCB电感饱和电流的检测方案,丰富了埋磁芯PCB的重要参数表征,从而为客户提供完善的产品解决方案。

开关电源中的平面变压器技术与应用

对开关电源中的平面变压器技术进行了较全面的综述。介绍了平面变压器的结构特点,分析了平面变压器的优势与不足之处,总结了平面变压器的分类,并指出了平面变压器的设计方法,最后对平面变压器技术进行了展望。