应用于无线电能传输的Litz线平面矩形螺旋线圈高频电阻计算

在外部磁场的影响下,导线中的高频电流呈不均匀分布,致使其导电面积远小于横截面积,从而引起额外的电阻,称之为高频电阻。高频电阻中的感生电阻与磁场的平方呈正比。应用毕奥-萨伐定律对Litz线平面矩形螺旋线圈中的磁场进行分析,以计算线圈中的高频电阻,进而分析其最大品质因数及最优运行频率。对几个线圈原型的测量表明,该分析方法较好地预测了线圈在不同频率下的电阻及最优运行频率。使用两个外边长460 mm×208 mm、内边长312 mm×64 mm的矩形线圈所制作的无线能量传输系统,距离500 mm时,在稍低于预测的最优频率时获得的最大DC-DC效率为58.7%,接收端功率为50 W。

无线电能传输磁耦合系统Litz线圈交流电阻精确评估方法

无线电能传输(WPT)磁耦合系统的绕组损耗是影响WPT系统效率的重要组成部分,但目前绕组损耗(尤其是Litz线的绕组损耗)缺乏有效的评估方法。该文提出一种绕组交流电阻评估新方法,该方法通过小信号测量仪器测量得到WPT磁耦合系统的电参数,同时通过磁心损耗计算(或有限元仿真)的方式提取测量激励信号下磁心附加损耗电阻,实现绕组交流电阻和磁心附加损耗电阻的分离。该方法不仅适用于WPT磁耦合系统,同时也适用于气隙电感绕组交流电阻的评估。基于三维气隙电感的绕组交流电阻有限元仿真结果与该文方法的评估结果误差小于5%,验证了该文方法的有效性和可行性。最后,搭建一台2kW的WPT系统样机,通过差值功率验证了所评估的Litz线圈交流电阻的正确性。

无线充电系统实际Litz线绕平面线圈高频电阻分析与计算

线圈高频电阻的计算对无线充电系统线圈的优化设计至关重要。实际工程一般采用Litz线来绕制线圈以减小趋肤和邻近损耗,但由于扭绞工艺的影响,实际Litz线的电阻值介于理想Litz线和平行束导线之间。本文首先详细分析Litz线电阻的组成与影响因素;其次,提出采用理想Litz线和平行束导线的电阻来拟合实际Litz线电阻的计算方法,该方法同时考虑了线圈自身结构和不同线圈之间电磁场的相互耦合作用对电阻的影响;最后,采用两类Litz线搭建平面矩形线圈和DD线圈进行实验验证。实验表明,在不同的频率范围内,所提计算方法得出的平面矩形线圈和DD线圈的电阻值与实际测量结果一致,验证了该计算方法的准确性和有效性。

无线电能传输系统中非理想Litz线的建模和优化

为了降低利兹(Litz)线的高频损耗,采用有限元仿真结合试验的方法,设计出不同形状的Litz线熔接头。改变股线在熔接头表面的分布,并对比分析了高频条件下不同优化模型对非理想Litz线股间电流分布的影响。仿真结果表明:在频率为100 MHz时,半球形熔接头的Litz线可以将电流不均匀系数K值由2. 4降低到2. 0,Litz线两端均分布在熔接头最外侧的模型可以将K值降低到1. 9。该优化方法可以有效减小电流分布不均匀的现象,降低Litz线的高频损耗。

基于TPS法的多束litz线导热系数测量

多束litz线常被用于高速电机中,以减小因趋肤效应和邻近效应所带来的交流损耗,但这种导线构造同时带来了电机内部热阻的增大。为了提高高速电机的可靠性,在设计阶段要求准确的热评估,因此多束litz线导热系数的计算至关重要。引入瞬态平面热源(TPS)热常数分析仪用于本文15组多束litz线导热系数的测试,该仪器具有较高的精度,且能实现样件多个主轴方向导热系数的同时测试。将测试数据与生产厂家提供的样件热参数数据和理论方法计算数据进行对比,相对误差小于仪器设定的最大允许误差,认为测试数据精确可靠。该测试方法能为高速电机的优化设计提供技术支撑。

基于分段等效电路法的Litz线绕组损耗求解

为了减小磁性元件的绕组损耗,Litz线备受设计者们的关注,但其庞大的单线股数和复杂的绞制方式使得Litz线的绕组损耗难以计算和仿真。本文从Litz线的绞制方式出发,分析不同绞制方式下Litz线的电流分配特性,并针对业界更普遍使用的同心绞Litz线进行细致分析,提出分段并绕平行线可近似替代同心绞Litz线的想法,并以此为依据使用分段等效电路法求解同心绞Litz线的单线电流,然后将求得的单线电流值重新赋值到2D并绕平行线的仿真模型中进行仿真,即可求解同心绞Litz线的绕组损耗,并在最后验证了分段等效电路法求解同心绞Litz线绕组损耗的有效性和准确性。

基于等效复数磁导率的利兹线绕组损耗计算模型

绕组损耗是高频变压器总体损耗的重要组成部分,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键性参数。由于利兹线的高频损耗小而广泛应用于高频变压器绕组,但其复杂的三维扭转结构导致准确、快速地计算绕组损耗十分困难。解析方法需要进行简化和近似处理,难以准确地表征绕组的高频涡流特性,有限元数值方法需要对每匝绕组精细化建模,导致计算资源耗费严重。采用具有等效复值材料特性的区域替代绕组区域的均匀化技术,能够实现二维磁场对涡流效应的表征,降低了精细化建模的计算成本。但等效区域的材料特性需要利用数值方法获得,增加了计算的复杂性。因此该文通过分析利兹线损耗机理,考虑利兹线截面形状对等效区域材料特性的影响,实现了圆形利兹线绕组等效复数磁导率的明确解析描述。建立了圆形利兹线绕组损耗计算模型,验证了等效复数磁导率计算邻近效应的准确性,实现了较宽频率范围内绕组损耗的准确预测。

圆形利兹线绕组高频损耗三维快速计算模型

绕组损耗作为高频变压器总体损耗的重要组成,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键参数。利兹线复杂的三维绞合结构,可以有效降低高频集肤效应与邻近效应引起的附加绕组损耗,广泛应用于高频变压器。然而,利兹线绕组内部的涡流分布极为复杂,现有解析计算方法需要对模型进行较多简化和近似处理,难以精确表征利兹线绕组高频涡流效应。数值计算方法需要对利兹线进行精细化建模,造成计算资源的严重耗费。因此,如何准确、快速计算利兹线绕组损耗对高频磁性元件的优化设计具有重要意义。该文通过分析利兹线绕组损耗机理,并基于解析法与有限元数值法,建立一种同时考虑绕组端部效应及圆形利兹线绞合结构的绕组损耗三维快速计算模型。最后,针对两种不同利兹线绕组的变压器模型,从计算精度和计算成本的角度分别进行详细的实验研究与对比分析。结果表明,所提模型实现了宽频范围内圆形利兹线绕组损耗的精确、高效计算。

基于等效媒质理论的高频变压器利兹线周期性结构均质化建模方法

高频变压器是电力电子变压器实现新能源交直流系统电气隔离、电压转换的核心部件,具有体积小、功率密度高的特点。受高频集肤效应及邻近效应影响,高频变压器的绕组损耗一般很大,加之其结构紧凑、散热能力不足,设备局部温升极易越限。准确高效地计算绕组损耗对高频变压器的优化设计和可靠运行具有重要意义。该文分析了利兹线的微观蜂巢结构,提取基本周期单元从而简化电磁场分析,基于等效媒质理论提出了绕组电磁场均质化仿真模型与损耗计算方法。结果表明:均质化仿真模型具有很高的准确性与计算效率,以精细化2维模型仿真结果为参考,磁通密度和电场强度的仿真误差小于0.5%,计算效率提升了约12000倍,运行内存需求减少了30.28倍;损耗计算方法在中低频段与主流模型的准确度近似,而在高频段的误差比Tourkhani模型降低了20%。该文提出的均质化模型显著降低了利兹线绕组电磁场仿真的建模难度和计算量,解决了高频涡流仿真难度大、损耗计算准确度低的问题,为高频变压器结构优化设计提供理论和模型支持。

定子无铁心轴向磁通永磁电机的绕组损耗与效率研究

定子无铁心轴向磁通永磁电机没有定子铁心,具有输出转矩平稳、质量轻、装配简单等优势,但同时也存在绕组涡流损耗大的问题。基于利兹线绕组,对定子无铁心轴向磁通电机的绕组涡流损耗进行了分析,给出了绕组涡流损耗计算的解析公式与有限元结合的非均匀分层混合计算模型,并通过简化的全绕组三维有限元模型,验证了混合计算模型的正确性和有效性。研究了以电机效率最大化为目标的利兹线规格选型方法。由于利兹线的实际制造工艺的问题,对电机效率进行了计算和分析,并给出了利兹线选型相关的定性结论。

高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗解析计算模型

准确、快速计算高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗对高频变压器、高频电感器等现代电工装备的优化设计及其电磁综合性能提升等具有重要意义。然而,现有唯一专门应用于高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗计算的解析模型存在推导失误、不准确等问题。为此,该文首次指出其推导过程中的错误点,并推导相应正确的公式,从而得到准确通用的高频磁性元件圆形利兹线绕组损耗解析预测模型。最后,将仿真与实验结果对比,验证所提模型的准确性与实用性。

考虑材料影响的双向直流固态变压器绕组 损耗计算方法

为提高双向直流固态变压器的整体效率和功率密度,研究双向直流固态变压器绕组损耗的计算方法。建立双向直流固态变压器绕组损耗基本计算模型,分别从铜箔绕组、利兹线绕组与实心圆导线绕组三方面研究适合不同导体绕组损耗的计算方法,其中采用有限元与傅里叶分解计算方法求得铜箔绕组损耗,通过修正Ferreria算法求得实心圆导线绕组的交流电阻,将其代入双向直流固态变压器绕组损耗基本计算模型中求得实心圆导线绕组损耗,利兹线绕组损耗由Tourkhani利兹线绕组损耗精准模型计算。以铜箔样例绕组与实心圆导线样例绕组为例进行实验,实验结果表明,所研究方法的计算值与实际测量值非常接近,计算精准度高,计算结果具有较高的实际应用价值,可为双向直流固态变压器整体效率优化提供参考。

非完全绞合利兹线的高频损耗特性分析与计算

现有的利兹线损耗计算模型,普遍是基于每股绝缘细导线流过相同电流的假设,根据铜箔和圆形实心导体的1维和2维电流密度、涡流场函数推导而来,忽略了不完全绞合结构对股间电流分布的影响,造成计算精度偏低。为了解决利兹线高频损耗的精确数学表征问题,首先系统分析了高频条件下利兹线的磁场分布、电流密度分布以及利兹线的绞合结构特点;然后基于利兹线股线的绞合结构,通过分段等效电路法和有限元方法建立利兹线损耗的精确计算方法,即将完整绞合节距内的利兹线分段后等效为直线结构的电感元胞,通过2维有限元法计算出股线之间的阻抗矩阵,进而根据系统方程求解出股线电流向量;最后,针对3种典型的利兹线绞合结构,从计算精度和计算量的角度对新方法、传统解析法与3维有限元法进行对比分析。结果表明,新方法能快速准确计算出不同绞合结构利兹线的高频损耗电阻,其最大相对偏差≤2.34%,并且借助新方法明确了绞合结构、频率对利兹线高频损耗电阻、电流流动模式的影响规律。

基于半解析有限元的利兹线交流电阻分析

利兹线广泛应用于无线电能传输、涡流检测等领域.由于利兹线包含的导线股数多且几何结构复杂,交流电阻计算困难是限制利兹线结构和电磁参数设计的主要原因.传统有限元方法和解析法在计算效率和普适性方面无法满足要求.本文采用半解析有限元法结合电路系统,基于Python语言编程计算,综合考虑集肤效应、邻近效应和循环电流,对利兹线的交流电阻进行了分析.在100 Hz到1 MHz频率范围内,基于并联利兹线模型,验证了半解析有限元法对交流电阻计算的精度和效率,并分析了螺距对利兹线空间磁场分布的影响.本文工作可为不同应用场景下利兹线模型的结构和电磁参数选择提供参考.

利兹线在低频脉冲涡流检测技术中的应用

针对低频脉冲涡流检测技术中缺陷信号接收线圈的研究,对利兹线绕制线圈进行数学建模,给出了其涡流损耗与激励频率、线圈匝数、股数和线径等参数之间的相互依存关系,并采用相等截面积、同一匝数和同材质的铜导线线圈作为对比实验。结果表明,利兹线检测线圈品质因素Q值提高了2.5倍,线圈阻抗与其直流阻抗的比值从激励频率为10 kHz时的1倍增加到100 kHz时的2.2倍,铜导线线圈却由1倍提高到了7.1倍,且利兹线圈检测信号拥有更高的波动幅值和波动次数。换言之,利兹线圈在较大频率范围内降低了涡流损耗,信噪比得到显著优化。

利兹绕组线研制及应用探索研究

通过对利兹(Litz)绕组线的研制、物理性能试验和其与少胶粉云母带、VPI树脂组成的绝缘结构的常规电气性能测试,以及线棒的定温热老化试验、室温电老化试验,证明其综合绝缘性能优异。数据表明,Litz绕组线可应用于我公司额定电压为10 kV、F级少胶绝缘系统SD1145或H级少胶绝缘系统SD1150的电机绕组的生产制造,可用作交流高压电机绕组线使用。

Investigation of Thermal Losses in a Soft Magnetic Composite Using Multiphysics Modelling and Coupled Material Properties in an Induction Heating Cell

The complex interaction between material properties in an induction heating circuit was studied by multi physics simulation and by experimental verification in a full-scale laboratory heater. The work aims to illustrate the complexity of the system of interacting materials, but also to propose a method to verify properties of soft magnetic composite materials in an integrated system and to identify which properties are the most critical under different circumstances and load cases. Heat losses at different loads were primarily studied, from DC currents to AC currents at 15, 20 and 25 kHz, respectively. A FE model for magnetic simulation was correlated with a corresponding model for heat simulation. The numerical model, as well as the established input material data, could be verified through the experimental measurements. In this particular study, the current loss in the litz wire was the dominant heat source, thus making the thermal conductivity of the SMC the most important property in this material.

圆形利兹线高频变压器绕组损耗解析公式的实验验证与理论分析

圆形利兹线高频变压器凭借其体积小、重量轻、功率密度高等优点,在特高压交直流输电、智能电网等场合的换流单元中具有广泛的应用前景。然而,随着频率的提升,其绕组损耗将会随之增大,如何准确、高效地计算它的绕组损耗对整体的全局优化设计至关重要。现有专门针对圆形利兹线高频变压器绕组损耗计算的解析公式仅为Tourkhani公式,但是尚未有研究通过实验或仿真的方式验证该公式的求解精度。为此,首次利用实验的方式客观验证了Tourkhani公式的计算精度,发现其最大误差可高达63.1%;同时,将Tourkhani公式的计算精度与常用Dowell公式的计算精度进行了对比,分析了Tourkhani公式产生上述误差的基本原因,为圆形利兹线高频变压器绕组损耗的准确求解及其全局优化设计提供了有益参考。

一种减小感应加热设备功率损耗的控制方法

研究了感应加热电源拓扑结构,基于全桥变流电路结构分析了电源的工作状态和输出波形,提出了一种减小损耗的有效途径,即新型定频移相控制技术(FFP),应用电磁感应理论,对感应加热电路的负载,即线圈部分的阻抗计算和优化进行了分析,得到了减小负载线圈损耗的方法。软开关仿真及实验结果验证了上述观点。

航空锂电池极耳焊缝微缺陷检测系统研究

针对航空锂电池极耳焊缝表面及深层微缺陷的有效识别问题,提出了一种基于大电流宽区域均匀涡流场与高灵敏度梯度差分线圈相结合的磁涡流检测方法。文中系统阐述了梯度差分线圈的高灵敏度检测机制及其影响因素,并基于利兹线绕制激励线圈在电极板表面整体施加均匀涡流励磁场,利用梯度差分线圈阵列拾取感应涡流信号,并建立了极耳焊缝微缺陷检测系统。研究结果表明,运用磁涡流检测技术,可通过对比分析极耳焊缝涡流场与正常区域差异性,以精准获取极耳焊缝微缺陷大小及其所处位置等特征参数,从而进一步完善检测图像重建功能。该方法对保障航空锂电池安全稳定运行具有重大的工程价值。