[发明专利]基于有限元仿真的高频高压电感器绕组结构优化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元仿真的高频高压电感器绕组结构优化设计方法，通过使用有限元仿真得到高频高压电感器在不同绕组结构下的分布电容，绘制其关系曲线，再由分布电容变化曲线规律得到最佳的“段‑层‑匝”绕组结构。相对于传统的设计方法，本发明具更高的实用性，用于高频高压磁性元件的设计优化领域。以分布电容为研究对象，解决电感器传统设计过程中在绕组结构选择上的盲目性，可以在较短的时间周期内确定电感器或高匝比变压器的绕组结构，对高频磁性元件分布电容的预测及优化设计具有较高的参考价值与意义。

技术领域

本发明涉及磁性元件的优化设计领域，尤其涉及一种基于有限元仿真的高频高压电感器绕组结构优化设计方法。

背景技术

高频高压电感器以及高频高压大匝比变压器随着高频化的需求逐渐被应用到电力电子的各个应用研究领域。但随着工作频率的升高，诸多问题也随之显现，带来许多设计难题。从工程角度考虑，影响高频磁性元件性能的因素有很多，而且各个因素间相互制约，难以同时进行优化。为此，在设计过程中通常根据电路性质选择对电路性能影响较大的因素进行优化。对于高频高压电感器而言，最突出的问题便是分布电容，分布电容的存在会改变其电路结构，其影响不可小觑。

目前人们对电感的分布电容的认识，绝大多数仍停留在经典解析法对其影响的分析，即简单的通过增加绕组的层数N_Slot、段数N_Layer以及减小每一层绕组的匝数z来减小分布电容。但实际上，该分析方法是基于能量法的原则对绕组的等效电容进行公式推导的，为了简化电感的分布电容模型，推导过程中忽略了较多的非相邻层间、段间的分布电容的能量，从而导致其结果缺乏准确性，不适用于高匝数的电感设计规律。因此，为了解决上述问题，本发明提出一种基于有限元仿真的高频高压电感器绕组结构优化设计方法。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于有限元仿真的高频高压电感器绕组结构优化设计方法。通过使用有限元仿真得到高频高压电感器在不同绕组结构下的分布电容，绘制不同绕组结构组合的等效分布电容值的变化曲线，由分布电容变化曲线规律得到最佳的“段-层-匝”绕组结构。解决电感传统设计过程中在绕组结构选择上的盲目性，可以在较短的时间周期内确定电感器或高匝比变压器的绕组结构，对高频磁性元件分布电容的预测及优化设计具有较高的参考价值与意义。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

1.一种基于有限元仿真的高频高压电感器绕组结构优化设计方法，包括以下步骤：

A.确定设计目标

根据电感器的应用环境，确定电感正常工作状态下的电压、电流以及工作频率，电路要求的电感量以及所允许其最大的分布电容C_p，max等参数；

B.选择磁芯材料、磁芯结构、磁芯截面

根据电感的工作频率和电感量确定磁芯材料，磁芯结构，以及磁芯的截面；

C.确定绕组匝数、绕组线径以及绝缘材料

根据电感计算公式确定绕组匝数，根据电感的工作电流选取绕组的线径，根据电感工作时的耐压确定绝缘材料及其厚度；

D.在ANSYS中以分布电容为研究对象进行有限元仿真

根据步骤B、步骤C中得到的电感模型的相关参数，在ANSYS中以分布电容为主要研究对象完成电感模型的建立并进行有限元仿真；

E.绘制不同绕组结构组合下得到的等效分布电容曲线

根据有限元仿真的结果，绘制不同绕组结构组合下所得到的等效分布电容的曲线，并选择最佳的电感绕组结构组合；

F.判断设计是否满足要求