本发明属于电力电子电感设计技术领域，涉及一种ui、uu型粉末磁芯斩波电感非标设计方法。
背景技术：
(1)随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、交通、工业等领域应用越来越广泛，因此对电流质量要求越来越高，解决谐波问题是当前最重要的问题。与其它电子元件不同，使用者很难选到合适的电感，一般情况下根据需求重新设计。具体设计时需要考虑体积、重量、成本等因素。
(2)对于比较大型的电感，一般情况下都找不到合适的标准磁芯，都是通过磁芯条自由拼接而成，因此形成一个自由拼接最优化算法显得十分重要。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种ui、uu型粉末磁芯斩波电感非标设计方法，从而实现磁芯条拼接的程序化，实现大幅减少设计人员大量的尝试工作，提高工作效率，减少人工计算失误的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种ui、uu型粉末磁芯斩波电感非标设计方法，该方法包含如下步骤：
s1：准备磁芯材料参数，根据磁芯材料参数，列出磁芯材料库对应的所有磁芯条；
s2：将磁芯条的宽度或者厚度指定为片宽，并将磁芯条按照片宽从小到大进行排列；
s3：根据步骤s2中的片宽，在每个片宽下，列出对应的磁芯条厚度或宽度，设置为单位叠厚，并将磁芯条按照单位叠厚从小到大排列；
s4：根据步骤s3中的单位叠厚，针对每个单位叠厚，将该单位叠厚的整数倍设置为磁芯叠厚；
s5：将步骤s4中所列出的磁芯条在固定的片宽和磁芯叠厚的情况下，将磁芯条在长度方向上进行单根或者双根的拼接，并将拼接后的磁芯条依照长度从小到大排列；
s6：根据步骤s4中的磁芯叠厚，针对每个磁芯叠厚，将步骤s5获得的磁芯条长度设定为窗高值，在该磁芯叠厚下，将拼接后的磁芯条根据窗高值从小到大进行排列；
s7：根据步骤s6中的窗高值，针对每个窗高值，将将步骤s5获得的磁芯条长度设定为磁芯宽度，在该窗高值下，将拼接后的磁芯条根据磁芯宽度从小到大进行排列；
s8：根据步骤s2的片宽，步骤s3的单位叠厚，步骤s4的磁芯叠厚，步骤s6的窗高值，步骤s7中的磁芯宽度，设初始顺序s＝1，对磁芯进行磁芯条按照顺序进行拼接，并进行电感空间校核，获得磁芯拼接表；
s9：根据磁芯拼接表中的磁芯尺寸，计算线圈尺寸、线圈匝数，并进行电感校核；
s10：判断磁芯尺寸是否满足终止条件，若不满足，s＝s+1，返回步骤s8，若满足终止条件，则执行步骤s11；
s11：根据体积最优筛选出最终的拼接结果。
进一步，步骤s8中对拼接后的电感进行空间校核具体为：
长度校核要求：lz＝a+c≤ls；
宽度校核要求：wz＝2a+2h≤ws；
高度校核要求：hz＝b+2h≤hs；
其中，lz为拼接出的磁芯加上线圈形成电感之后的长度，wz为拼接出的磁芯加上线圈形成电感之后的宽度，hz为拼接出的磁芯加上线圈形成电感之后的高度，ls、ws、hs分别为电感最大长宽高，a＝kcx-2h，kcx为磁芯宽度，b为窗高值，c为磁芯长度，h为磁芯条厚度。
进一步，步骤s9中计算线圈匝数，进行电感校核的流程如下：
s91：根据初始磁导率计算出最低匝数；
s911：计算磁芯截面积：ac＝c×h，其中c为磁芯长度，h为磁芯条厚度；
s912：计算磁路长度：lc＝2a+2b+πh，其中a＝kcx-2h，kcx为磁芯宽度，b为窗高值；
s913：根据初始磁导率计算出初始匝数：
其中，al为单匝电感量，μ0为真空磁导率，μr0为磁芯材料初始相对磁导率，n0为初始匝数，l0为目标电感值；
s92：令线圈匝数n＝n0；
s93：根据线圈匝数计算获得计算电感值；
其中bi为平均电流下的磁感应强度，由磁化曲线(b-h曲线)获得，il为电感平均电流，lso为计算电感值；
s94：根据计算电感值与目标电感值之间的偏差确定最终线圈匝数n；
若偏差类型为±，当n匝电感值偏差量首次大于n-1匝时，线圈匝数n＝n-1，继续步骤s95，否则，n＝n+1，返回步骤s93；
若偏差类型为+，当n匝电感值首次大于目标电感值时，线圈匝数n＝n，继续步骤s95，否则，n＝n+1，返回步骤s93；
s95：进行电感偏差校核，当计算电感值满足：
其中，l0为目标电感值，rl为允许最大电感相对偏差；
s96：进行最大磁通密度校核，判断磁芯是否饱和；
s97：通过电流密度确定导线参数；
s98：计算损耗并进行温升校核；
s99：将损耗和温升满足要求的结果填写到临时结果清单。
进一步，步骤s97具体为：
s971：设初始电流密度为j＝2.0；
s972：计算导线的宽度和厚度值，判断窗宽是否满足要求；
三角波斩波电感电流有效值：
导线截面积：
导线宽度：w＝b-2ld，其中b为磁芯窗口高度，ld为端空距离；
导线厚度：hline＝aw0/w；
判定ax＝[n×hline+(n-1)×hins]≤a，其中ax为需要窗宽，hins为单层绝缘厚度；
s973：若满足要求则无需再增加电流密度，进行下一步计算，若不满足要求，进行判定；
s974：若j≥6.0，则回到主流程，若j＜6.0，则j＝j+0.1，执行s972。
进一步，步骤s10中的终止条件为：
当a>ws或a/b>10时，kcx不再继续增大；
当b>hs或b/a>10时，b值不再继续增大；
当c>ls或c/h>20时，c值不再继续增大；
其中，kcx为磁芯宽度，a＝kcx-2h，b为窗高值，c为磁芯长度，ws为允许最大宽度，hs为允许最大高度，ls为允许最大长度。
本发明的有益效果在于：本发明提出的方法形成了一套基于无限自由拼接的标准化电感设计方法，并获得了体积最优电感结果。本方法考虑了所有可能的拼接情况，还可以根据重量、铜铁比、成本等其它要求选择最优结果。程序化后可大幅减少设计人员大量的尝试工作，提高工作效率，减少人工计算失误。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明流程图；
图2为本发明电感参数计算及电感校验流程图；
图3为本发明拼接后的磁芯尺寸图；
图4为本发明拼接成型后的电感示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明为一种ui、uu型粉末磁芯斩波电感非标设计方法，该方法包含如下步骤：
1材料参数准备及计算，进入主流程前，首先需要准备好计算需要的磁芯材料参数：
(1)初始相对磁导率μr0、饱和磁感应强度bsat；
(2)b-h曲线或d-c偏移曲线、b-p曲线；
(3)斯坦梅茨参数kc、α、β的计算：
①取点：选取离工作频率f最近的两条b-p曲线作为计算依据，提取的两条b-p曲线参数点格式如(f1、b1、pv1)、(f2、b2、pv2)...(fn、bn、pvn)....(fn、bn、pvn)总共n个点。
②等效：
斯坦梅茨公式如下：pv＝kcfαbβ
两边取对数，logpv＝logkc+αlogf+βlogb
令：r＝logf、s＝logb、t＝logpv、u＝logkc
则有：t＝α×r+β×s+u
b-p曲线点转换为：(r1、s1、t1)、(r2、s2、t2)....(rn、sn、tn)...(rn、sn、tn)
③对于t＝α×r+β×s+u，存在一组值(α、β、u)，使得残差的2-范数最小：
即使
要求最小值，需分别对α、β、u求偏导并令其等于0，即：
可得到以下方程组：
求解线性方程组，得到解(α、β、u)，则kc＝eu。
2磁芯条及其拼接
磁芯条拼接见流程图图1，如图1所示，
(1)列出磁芯材料对应的所有磁芯条，磁芯条包括高、宽、长三个参数；
(2)首先指定h值为磁芯条的宽度或厚度，从小到大循环；
(3)特定的h值下，磁芯条对应的厚度或宽度设置为c0，从小到大循环；
(4)c值由n个c0组成，n为正整数，磁芯长度c从1倍的c0开始循环，逐步变大；
(5)特定h及c0下的铁硅条存在不同的长度规格，长度方向存在拼接(1根或2根)，允许两两拼接，从小到大排列成长度系列；
(6)在特定h值及c值下，指定长度系列最小值为窗高b，从小到大循环；
(7)特定b值下，指定长度最小值为磁芯宽kcx，a＝kcx-2h，从小到大循环；
(8)在特定的磁芯尺寸(a、b、c、h)下，完成线圈尺寸及匝数的计算及电感校核；
(9)循环完毕后，根据体积最优筛选结果；
3磁芯条拼接终止条件
见主流程，其中ls、ws、hs为允许的最大长宽高：
(1)当a>ws或a/b>10时，kcx不再继续增大；
(2)当b>hs或b/a>10时，b值不再继续增大；
(3)当c>ls或c/h>20时，c值不再继续增大；
4电感空间校核
图2为本发明电感参数计算及电感校验流程图，如图2所示，具体的流程如下：
图3为本发明拼接后的磁芯尺寸图，如图3所示，根据确定的h、a、b、c参数，计算电感实际的长宽高lz、wz、hz，并与要求的最大长宽高ls、ws、hs进行比较：
长度校核要求：lz＝a+c≤ls
宽度校核要求：wz＝2a+2h≤ws
高度校核要求：hz＝b+2h≤hs
如果空间校核满足要求，则进行后续的计算及校核；否则进入主流程，继续进行磁芯参数循环。
5导线匝数确定
(1)计算磁芯截面积及磁路长度：
截面积ac＝c×h
磁路长度lc＝2a+2b+πh
(2)首先根据初始磁导率反算初始匝数：
单匝电感量：
初始匝数：
(3)确定实际导线匝数：
一般情况下，实际需要的匝数都大于初始匝数n0；匝数从n0开始从小到大循环，参见图2：
①如果偏差类型为±，当n匝电感值偏差量首次大于n-1匝时，线圈匝数n＝n-1；
②如果偏差类型为+时，当n匝电感值首次大于目标电感值时，线圈匝数取n＝n；
(4)当线圈匝数为n时的电感量计算：
平均电流下的磁场强度h：
平均电流下的磁感应强度b：bi＝f(hi)
其中il为电感平均电流，f为根据h求b的函数，b-h曲线，一般由5个以上的坐标点(h，b)组成，首先取离hi值最近的两个点(h1,b1)(h2,b2)，然后采用线性内插或外推方法计算bi值：
实际额定电感量：
6电感偏差量校核
如图2所示，线圈匝数n确定后，进行电感偏差校核：
其中l0为目标额定电感量，rl为允许的最大电感相对偏差。
如果电感偏差校核满足要求，则进行后续的计算及校核；否则进入主流程，继续进行磁芯参数循环。
7最大磁密bmax校核
电感量达到要求时，也存在磁芯磁饱和的情况，因此电感偏差满足要求后，还需进行最大磁密bmax校核，如图2所示：
(1)峰值电流：
(2)峰值电流下的磁场强度：
(3)峰值电流下磁感应强度：bmax＝f(hmax)，其中f为根据h求b的函数；
(4)校核：如果bmax≤bsat×rb，则满足要求，其中bsat为磁芯材料的饱和磁密，rb为限定的材料的磁饱和率；
如果bmax校核满足要求，则进行后续的计算及校核；否则进入主流程，继续进行磁芯参数循环。
8导线参数计算及窗宽校核
如图2所示，进行铜箔导线参数计算及窗宽校核，此处假设每层就只有一匝铜箔导线：
(1)首先假设导线电流密度j0＝2.0；
(2)根据电流密度确定导线尺寸：
三角波斩波电感电流有效值：
导线截面积：
导线宽度：w＝b-2ld，其中b为磁芯窗口高度，ld为端空距离；
导线厚度：hline＝aw0/w
(3)窗宽校核：
当需要窗宽满足如下条件时：
ax＝[n×hline+(n-1)×hins]≤a
其中a为磁芯窗口宽度，则满足要求，无需继续增加电流密度，进行后续计算，否则继续增加电流密度，重复进行导线尺寸计算及窗宽校核；
(4)如果电流密度增加到6.0时，窗宽都无法满足要求，则无需继续增加电流密度，直接进入主流程，继续磁芯拼接循环；
9损耗计算
如图2所示，当电感的磁芯尺寸及导线参数确定之后，进行损耗及温升校核，首先进行损耗计算：
9.1磁芯损耗计算
(1)额定纹波下δb值计算
额定纹波下的最大电流及最小电流：
额定纹波下的最大h及最小h：
额定纹波下的最大b及最小b：
bcmax＝f(hcmax)；bcmin＝f(hcmin)
其中f为根据h求b的函数；
额定纹波下δb值计算：
δb＝bcmax-bcmin
(2)磁芯损耗计算
磁芯体积：
vc＝ac×(2a+2b+4h)
单位体积磁芯损耗如下：
pv＝ki|δb|βfα[d1-a+(1-d)1-a]
其中，d为占空比；
磁芯损耗：
pfe＝pv×vc
9.2绕组直流损耗
(1)导线直流电阻计算
平均匝长：mlt＝2h+2c+0.5πa
导线总长度：lcu＝mlt×n
直流电阻：
(2)直流损耗计算
9.3集肤效应损耗计算
(1)纹波电流傅里叶分解(弧度制)，其中δil为纹波电流峰峰值：
(2)各个谐波频率下集肤深度：
(3)对于铜箔导线，各阶谐波频率下对应的集肤效应交流电阻如下(弧度制)：
(4)集肤效应损耗为：
9.4临近效应损耗
(1)基波频率集肤深度：
(2)电感交流成分电流有效值：
(3)电感交流成分电流导数有效值：
(4)临近效应交流电阻：
其中
(5)临近效应损耗：
9.5电感总损耗
绕组总损耗：
pcu＝pdc+pjac+plac
电感总损耗
psum＝pfe+pcu
10温升计算及校核
电感温升依据已知的换热系数hc及电感表面积进行计算：
(1)电感表面积，即电感实际长宽高包络起来的立方体面积：
ai＝2(lz×wz+wz×hz+lz×hz)
(2)温升：
(3)工作温度：twork＝t0+δt，其中t0为环境温度；
(4)温度校核：
当twork≤tmax时，电感结果满足温升要求，写入临时结果清单，回到主流程，继续磁芯拼接循环；否则，电感不满足温升要求，放弃此次结果，回到主流程，继续磁芯拼接循环。
11结果选优
结果选优根据电感体积指标进行最优化选择。图4为本发明拼接成型后的电感示意图，根据主流程，磁芯循环完毕后，临时结果清单可能存在1个以上的结果，如果材料选择不合适，也可能没有结果，因此选择电感体积最小的结果作为最终结果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。