【文章內(nèi)容簡介】 只有少數(shù)問題能夠用解析的方法求出精確解，這類問題往往是方程性質(zhì)比較簡單，幾何邊界相當規(guī)則。而對于大多數(shù)工程技術(shù)問題，由于研究對象的幾何形狀比較復雜或者問題的某些特征是非線形的，則很少有解析解。對于這類問題往往有兩種解決方法：一是將方程和邊界條件簡化為容易處理的問題，從而得到它在簡化狀態(tài)下的解。這種方法只在有限的情況下是可行的，因為過多的簡化可能導致解與實際值偏差很大或者甚至是荒謬的。另一種方法是利用計算機強大的計算能力，使用數(shù)值模擬方法求得滿足工程要求的數(shù)值解。高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計，由于所涉及的幾個主要變量是非線性的，因此目前國內(nèi)外對高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計主要有兩類方法，一類是簡化求解：一類是數(shù)值模擬。高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計相對于低頻要復雜得多，諸如趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略，而在高頻下卻變得十分重要。以下幾個問題是高頻變壓器設(shè)計中討論最多的問題。高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計相對于低頻要復雜得多，諸如趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略，而在高頻下卻變得十分重要。以下幾個問題是高頻變壓器設(shè)計中討論最多的問題。當導線中流過高頻交流電流時，電流將向?qū)Ь€表面集中，導致導線表面電流密度增大。這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)，交變電流沿導線表面向?qū)Ь€中心衰減，當衰減到表面電流強度的l，e時所達到的徑向深度，稱之為趨膚深度。趨膚深度與電流的頻率、導線的磁導率及電導率有關(guān)，其關(guān)系為：(式中．f為頻率， u為導線磁導率，P為導線電阻率。其中P是—個隨溫度變化的量。) 交流電阻的理論值和實測值很接近，只是實測的交流電阻值較理論值稍大一些，這主要是由于Dowell模型假設(shè)漏磁平行導體交界面分布，這只有在導體的寬度和厚度之比很大時才近似成立，而且也沒有考慮導體之間的鄰近效應(yīng)以及氣隙的邊緣效應(yīng)。但由于理論值和實測值的偏差不大，因此還是很適用于高頻變壓器繞組的交流電阻和漏感的預(yù)測。同時，許多論文對Dowell的結(jié)論做了修正和發(fā)展指出Dowell模型雖然廣泛使用，而且比較有效?？墒沁@個著名的因子并無理論根據(jù)，通過比較實驗值與Dowell模型理論值，為Dowell交流電阻系數(shù)計算公式引人了3個修正參數(shù)，這3個參數(shù)用來校正分析曲線，使其與實測結(jié)果更吻合。目前常用的數(shù)值模擬方法主要有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，其中最常用的是有限元法，有限元計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。國際著名的通用有限元軟件有幾十種，常用的有：SAP、ANSYS、ANSOFT、NASTRAN、ADINA、ALGOR—FEM 等，其中ANSYS、ANSOFF、NASTRAN軟件是變壓器分析中最常用的軟件。利用有限元軟件可以有效地分析變壓器的電感、電容、渦流、磁通密度、電流密度、電磁場分布、能量損耗、溫升等。有限元分析的過程主要有三步：前處理、求解計算及后處理。前處理階段主要的工作是選擇分析模塊、定義單元類型和材料特性、建立實體模型、對模型進行網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件等。求解計算階段主要的工作是選擇求解類型并設(shè)置求解選項。后處理階段的主要工作是讀取求解結(jié)果，對求解結(jié)果進行圖形、列表顯示等。對于變壓器的電磁場分析，主要有二(三)維諧性分析和二(三)維瞬態(tài)分析。前者適于激勵源服從一定交變規(guī)律(如正弦、余弦)的情況：后者適于激勵源無規(guī)則變化的情況。對于變壓器的溫升，要利用有限元軟件的耦合場來分析，并且還要為軟件提供變壓器的熱導率、比熱、對流換熱系數(shù)、焓、輻射系數(shù)、生熱率等。目前，利用數(shù)值模擬方法設(shè)計高頻開關(guān)電源變壓器主要分為定性分析和定量分析。前者一般采用二維分析，其目標不是關(guān)心具體量值，而是比較在不同的情況下，某一量的變化情況，從而得到一些指導性的設(shè)計原則。后者則重視具體的量值，盡可能通過數(shù)值模擬方法得到高頻開關(guān)電源變壓器設(shè)計中某些不易計算量的精確值并和實驗值進行比較，最終達到在一定程度上替代實驗的目的。因此相對于二維分析，三維分析更適于定量分析，然而由于三維分析的復雜性，因此很多情況下也用二維分析來進行定量分析。Dai等人加 通過二維有限元方法，研究了繞組間隙及初次級繞組的寬度對邊緣效應(yīng)的影響，如圖2所示。為了研究邊緣效應(yīng)與繞組間隙的關(guān)系，作者設(shè)計的分析模型見圖2a，其中磁芯為罐狀磁芯，初次級為0．127mm (5mil)的銅薄帶。通過有限元分析，得到500kHz時不同繞組間隙下的磁場分布情況。圖2b和2c所示的繞組間隙分別為0．254mm(10mil)和0．127mm(50mil)的情況。作者由此得出結(jié)論：漏感隨繞組間隙的增大而單調(diào)遞增。(c) 然而要精確地進行定量分析，現(xiàn)在還存在以下困難：(1)復雜的有限元模型，尤其是三維模型，往往很難通過有限元軟件本身來建立，而是要通過該軟件與CAD軟件的接口去調(diào)用CAD 軟件所建立的模型這里有兩個問題，首先這類CAD 軟件在國內(nèi)剛流行不久，很難找到合適好用的該類軟件：其次用該類CAD 軟件建立的三維復雜模型，比如三維繞組模型，在調(diào)入到有限元軟件中后，有時會產(chǎn)生錯誤。(2)大型有限元模型對計算機系統(tǒng)資源要求很高，并且運算時間較長。(3)不容易檢查分析結(jié)果的正確性，只能與實測值進行比對。高頻變壓器的設(shè)計包括:磁芯材料的選擇,磁芯結(jié)構(gòu)的選擇,磁芯參數(shù)的設(shè)計,線圈參數(shù)的設(shè)計,組裝結(jié)構(gòu)的選擇和溫升校核等內(nèi)容。 　　(1) 磁芯材料的選擇 　　 設(shè)計高頻變壓器,選擇軟磁材料是關(guān)鍵的第一步,各種磁芯的特性比較如表1所示。高頻變壓器磁芯一般使用軟磁材料。軟磁材料有較高磁導率,低的矯頑力,高的電阻率。磁導率高,在一定線圈匝數(shù)時,通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應(yīng)強度,線圈就能承受較高的外加電壓,因此在輸出功率一定的情況下,可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低,磁滯回環(huán)面積小,則鐵耗也少[4]。電阻率高則渦流小,鐵耗也小。鐵氧體材料是復合氧化物燒結(jié)體,和其它軟磁磁芯材料一樣,軟磁鐵氧體的優(yōu)點是電阻率高、交流渦流損耗小,價格便宜,易加工成各種形狀的磁芯,缺點是工作磁通密度低、磁導率不高、磁致伸縮大、對溫度變化比較敏感。它適合高頻下使用,因此高頻變壓器一般采用鐵氧體材料作為磁芯。 (2) 磁芯結(jié)構(gòu)的選擇 　　磁芯基本結(jié)構(gòu)有:①疊片,通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等形狀,疊成一個鐵芯。②環(huán)形鐵芯,由O型薄片疊成,也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成。③C形鐵芯,此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點,由二個C型鐵芯對接而成。④罐形鐵芯,它是磁芯在外,銅線圈在里,免去環(huán)形線圈不便的一種結(jié)構(gòu)形式,可以減少EMI。缺點是內(nèi)部線圈散熱不