高频变压器绕组中的磁场强度获取方法

1.本发明属于电子电力技术领域，具体涉及一种高频变压器绕组中的磁场强度获取方法。


背景技术：

2.开关型功率变换器工作在高频状态可以减小整个电力电子系统的体积和重量，高频变压器是开关型功率变换器中一个最为常用的元件。
3.参图1所示为现有技术zx平面中半个高频变压器绕组的结构示意图，其包括磁芯10、距离磁芯距离逐渐增大的多层绕组20、及位于相邻绕组间的绝缘层30，绕组为铜箔绕组，包括若干初级绕组21和若干次级绕组22。针对图1中的结构，2015年ouyang ziwei等报告了高频变压器绕组内的磁场强度的计算方法，磁场强度为：
[0004][0005]
其中，第一层绕组的右边界的磁场强度，i为绕组的输入电流，bf为绕组高度，n为初级绕组中的层数，为复传播常数，μ0为真空中的磁导率，σ为绕组的电导率，ω为角频率，t为绕组厚度。
[0006]
当已知所设计变压器的结构参数时，设计者便可以根据式(1)计算出绕组内的磁场强度分布。
[0007]
但对于高频变压器绕组内磁场强度的确定，上述方案仅给出了磁场强度在频域里面的表达式，根据频域中磁场强度的表达式无法直接获取磁场强度的有效值，这就给其应用带来了实际困难，例如针对高频变压器中漏感的研究等。
[0008]
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高频变压器绕组中的磁场强度获取方法。


技术实现要素：

[0009]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高频变压器绕组中的磁场强度获取方法。
[0010]
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
[0011]
一种高频变压器绕组中的磁场强度获取方法，所述高频变压器包括磁芯、距离磁芯距离逐渐增大的多层绕组、及位于相邻绕组间的绝缘层，所述方法包括：
[0012]
s1、获取输入交流电流时高频变压器第p层绕组在频域中的磁场强度；
[0013]
s2、将第p层绕组在频域中的磁场强度转化为第p层绕组在时域中的磁场强度；
[0014]
s3、根据第p层绕组在时域中的磁场强度获取磁场强度的有效值。
[0015]
一实施例中，所述步骤s1中，高频变压器第p层绕组在频域中的磁场强度为：
[0016][0017]
其中，为第一层绕组远离磁芯一侧边界的磁场强度，bf为绕组高度，h为绕组厚度，为绕组输入交流电流的向量形式，α为复传播常数，满足δ
wf
为趋肤深度且满足ω为角频率，满足ω＝2πf，f为交流电流的频率，μ0为真空中的磁导率，σ为绕组的电导率，j为复数中虚数的单位，x是第p层绕组中的横轴x的坐标，以第p层绕组最左侧边缘为坐标原点，x轴向第p层绕组右侧延伸直到最右侧边缘为止。
[0018]
一实施例中，所述输入交流电流为正弦波电流或多个正弦波电流之和。
[0019]
一实施例中，所述步骤s2具体为：
[0020]
根据第p层绕组在频域中的磁场强度获取磁场强度的模和复角φ1；
[0021]
将第p层绕组在频域中相量形式的磁场强度转化为第p层绕组在时域中的磁场强度hz(t,x)。
[0022]
一实施例中，所述第p层绕组在频域中相量形式的磁场强度为：
[0023][0024]
其中：
[0025][0026][0027]
φ为输入交流电流的初相，φ+φ1为磁场强度的初相。
[0028]
一实施例中，所述磁场强度的模和复角φ1分别为：
[0029][0030][0031]
一实施例中，所述第p层绕组在时域中的磁场强度hz(t,x)为：
[0032][0033]
一实施例中，所述第p层绕组在时域中磁场强度的有效值hz(rms)为磁场强度的模即：
[0034][0035]
本发明具有以下有益效果：
[0036]
本发明可以将绕组在频域中的磁场强度转化为时域中的磁场强度，进而可以获取磁场强度的有效值，时域中的磁场强度大小随t变换，但其有效值与时间无关，磁场强度的有效值能够反映周期性变化磁场强度的总体性能，从而能够为高频变压器的后期应用打下基础和提供方便。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为zx平面中半个高频变压器绕组的结构示意图；
[0039]
图2为本发明高频变压器绕组中的磁场强度获取方法的流程示意图。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0041]
参图2所示，本发明公开了一种高频变压器绕组中的磁场强度获取方法，高频变压器的结构参图1所示，包括磁芯、距离磁芯距离逐渐增大的多层绕组、及位于相邻绕组间的绝缘层，磁场强度获取方法包括：
[0042]
s1、获取输入交流电流时高频变压器第p层绕组在频域中的磁场强度；
[0043]
s2、将第p层绕组在频域中的磁场强度转化为第p层绕组在时域中的磁场强度；
[0044]
s3、根据第p层绕组在时域中的磁场强度获取磁场强度的有效值。
[0045]
其中，步骤s2具体为：
[0046]
根据第p层绕组在频域中的磁场强度获取磁场强度的模和复角φ1；
[0047]
将第p层绕组在频域中相量形式的磁场强度转化为第p层绕组在时域中的磁场强度hz(t,x)。
[0048]
图1所示为现有技术zx平面中半个高频变压器绕组的结构示意图，具体地，本实施
例中的绕组以3个初级绕组和2个次级绕组为例进行说明，绕组优选地采用铜箔绕组。
[0049]
初级绕组中的电流方向为负y方向，因此初级绕组中的电场强度可表示为初级绕组中产生的磁场方向为z方向，因此初级绕组中的磁场强度可表示为通过常规分析方法，可以得到第p层绕组在频域中的磁场强度为：
[0050][0051]
其中，为第一层绕组远离磁芯一侧边界的磁场强度，bf为绕组高度，h为绕组厚度，为绕组输入交流电流的向量形式，α为复传播常数，满足δ
wf
为趋肤深度且满足ω为角频率，满足ω＝2πf，f为交流电流的频率，μ0为真空中的磁导率，σ为绕组的电导率，j为复数中虚数的单位，x是第p层绕组中的横轴x的坐标，以第p层绕组最左侧边缘为坐标原点，x轴向第p层绕组右侧延伸直到最右侧边缘为止。
[0052]
由于流经高频变压器绕组的电流是交流电流，所以此电流所激励出来的磁场也是随时间交变的。随着供电电源的每一个周期性变换，磁场能量将交替的存储和释放。上式中表示了频域中的磁场强度为了找到其模和复角，使用泰勒级数将其展开。
[0053]
根据双曲函数的泰勒级数，sinh(αx)可展开成为：
[0054][0055]
代入频域中的磁场强度的公式中，磁场强度可以展开并且可以表示成复数的形式，具体为：
[0056][0057]
其中，变压器初级绕组的输入电流被假定为一个正弦波，即此输入电流的相量表示为如果输入电流为非正弦波，则可使用傅里叶分解将其分解成多个正弦波之和，φ为输入交流电流的初相。
[0058]
令：
[0059][0060]
则第p层绕组在频域中相量形式的磁场强度为：
[0061][0062]
其中，φ为输入交流电流的初相，φ+φ1为磁场强度的初相。
[0063]
磁场强度的模和复角φ1分别为：
[0064][0065][0066]
将第p层绕组在频域中相量形式的磁场强度转化为第p层绕组在时域中的磁场强度hz(t,x)。具体为：
[0067][0068]
根据时域中的磁场强度hz(t,x)的表达式，即可获取磁场强度的有效值hz(rms)，hz(rms)为磁场强度的模即：
[0069][0070]
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0071]
本发明可以将绕组在频域中的磁场强度转化为时域中的磁场强度，进而可以获取磁场强度的有效值，时域中的磁场强度大小随t变换，但其有效值与时间无关，磁场强度的有效值能够反映周期性变化磁场强度的总体性能，从而能够为高频变压器的后期应用打下基础和提供方便。
[0072]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0073]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包
含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。