电感线圈分布电容和谐振频率的仿真与测量.pdf

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1、第47卷第9期Vol.47No.92010年9月TRANSFORMERSeptember2010电感线圈分布电容和谐振频率的仿真与测量丁斌，杨宁，王志萍（上海电力学院电力系统及自动化学院，上海200090）摘要：利用ANSYS对电感线圈的分布电容进行了计算，并对试验结果进行了仿真分析。关键词：分布电容；电路谐振；谐振频率；电感线圈中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：1001－8425（2010）09－0041－04SimulationandMeasurementofInductorStrayCapacitanceandResonanceFrequencyDINGBin,YANG

2、Ning,WANGZhi-ping（ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China）Abstract：TheinductorstraycapacitanceiscalculatedbyANSYS.Thetestresultissimu-latedandanalyzed.Keywords：Straycapacitance；Circuitresonance；Resonancefrequency；Inductor浇铸。考虑到线圈截面尺寸（5cm×1cm）相对于线圈1前言平均直径（80cm）要小得多，可以近似将大尺寸小截在各种电感线圈

3、中，存在一个共性问题—由于面线圈看作长导体进行二维有限元建模。层间及匝间电容与电感的相互作用，电感线圈具有为简化建模和计算工作量，仅取线圈截面中的自激振荡的谐振频率，当外部激励接近谐振频率时，5层乘5列导体矩阵来进行二维有限元建模，计算线圈中层间分压不均衡，在高压激励下容易引起绝分布电容矩阵。缘失效，而且当该电感作为负载时也容易对电源侧利用ANSYS有限元软件建立线圈截面导体和引起振荡和过电压。针对圆形截面导体绕制的线圈，分布电容矩阵的基本步骤包括以下几点。已经有不少文献讨论电感或变压器分布电容的解析（1）进入前处理模块（/PREP7），选用Plane121计算问题，可是对于矩形截面或椭

4、圆截面导体的分静电场单元和INFIN110远场单元。布电容计算，有限元数值分析方法能够提供更加准（2）定义环氧树脂的介电常数（本文中取4.5）和确的结果。因此，本文中笔者利用ANSYS有限元分空气的介电常数（取1.0）。析软件，建立矩形导体矩阵，计算其电容关联矩阵，（3）建立单个导线的精确几何模型，包括导线圆然后将电容结果代入T型L-C-R电路网络，利用角处理。利用AGEN命令在水平和垂直方向拷贝出Matlab/Simulink进行电路仿真。将仿真的谐振频率5行乘5列的导体矩阵。导体矩阵中间的空隙填充结果和线圈的实测结果进行比较，结果非常吻合。为环氧树脂。（4）构建导体周围的空气包围区域

5、及空气区域2分布电容的数值模型外的远场区域。空气包围区域的半径至少为导体矩笔者研究了一个平均直径为80cm，宽度为阵尺寸的3倍，远场区域厚度与空气包围区域的半5cm，厚度为1cm，共400匝（10层×40匝）的大电感径相同。线圈的分布电容和谐振频率。导线为带小圆角的矩（5）进行单元剖分。形截面铜导线，尺寸为1.2mm宽，0.85mm厚，层间（6）设置远场边界条件，相当于设置无穷远处电绝缘约0.1mm。线圈用混有氧化铝粉末的环氧树脂位为零的开域边界条件。42第47卷（7）对5行乘5列导体进行编号标记，比如从笔者也利用解析计算公式对电容进行了计算，“cond1”直到“cond25”，使得系统

6、识别不同的导体和由于线圈半径相对与层间距离大得多，可以利用平位置，便于进行电容计算。板电容器的计算公式进行计算，如式（1）。（8）进入求解模块（/SOLU），利用CMATRIX求C0=ε0εrS/d=2πrε0εrw/d（1）解分布电容矩阵。式中r———线圈半径图1是5行乘5列的导体矩阵及完整的有限元w———导线宽度剖分模型。区域1是导体矩阵和环氧树脂，区域2是d———层间距离空气单元层，区域3是远场单元层。解析法与有限元计算的层间电容比较分析结果如图3所示。由图3可以看出，当层间间距相对于线宽较小时（间距≤1/4线宽），解析计算公式可以取区域3得80%~85%的精度。区域10.90.8

7、C（nF）0.7有限元计算F0.6C（nF）/n解析法容0.5区域2电体0.4导间0.3层0.2图1电感线圈分布电容的有限元剖分模型Fig.1Finiteelementsectionalmodelof0.10inductorstraycapacitance00.51层间间隙/mm在二维计算模型中得到导体矩阵中相邻导体间图3解析法与有限元计算的层间电容比较的电容值C1后，需要换算到实际线圈的电容值C2,Fig.3Layercapaci