（物理电子学专业论文）大功率高频开关电源变压器散热数值模拟.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着电源技术的不断发展，高频化和高功率密度化已成为开关电源系统的研究方 向和发展趋势。变压器是开关电源的核心部件，并且随着频率和功率的不断提高，变 压器的体积越来越小，功率密度越来越高，这就对变压器的散热提出更高要求。 对于大功率高频高压变压器来说，散热与绝缘相交叉，且需在绝缘的基础上考虑 散热，这就局限了变压器的散热方式，其高频高压特性使得电磁式温度检测失效，温 度测量困难。近年来，随着流体计算力学与其商业软件的不断发展，使得用计算机对 流场与温度场耦合进行模拟成为现实。 本文首先对高频变压器系统的热仿真做理论铺垫，介绍了变压器系统的传热机理、 散热方式，变压器与硅堆的生热原理，有限容积的数值计算方法、数学模型、湍流的 基本模型等。在此原理与理论基础上，利用软件对变压器系统的流场和温度场进行三 维数值模拟，获得系统各部分的温度场分布结果及水和变压器油的流场结果，发现变 压器次级骨架对变压器热点的巨大影响，需对骨架的结构进行改进。变压器在不同放 置方式下，热点存在很大差别，其中，卧放时热点温度最低，对入口水温与速度对变 压器热点温度影响作了对比分析。由此完成变压器温度的预测，为变压器设计提供辅 助。 关键字：变压器热点高频变压器数值模拟 a b s t r a c t w i t ht 1 1 ec o m i n u o u sd e v e l o p m e n to fp o w e rt e c l l l l o l o g y ，h i 曲一丘e q u e n c y 锄dh i 曲p o w e r d e n s i t ys 、i t c m n gp o w e rs u p p l yh a sb e c o m et l l ed i r e c t i o no f t l l er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 仃e n d s t r 姐s f l o m e ri s 觚e s s e n t 瑚c o m p o n e mi i ls 谢t c h i n gp o 、v e rs u p p l y ，a 1 1 d 丽t l l i n c r e a s i n gf k q u e n c y 锄dp o 、e r ，t l l es i z eo f t t l e 仃a n s f o r m e rb e c o m e ss m a l l e r 觚ds m a l l e r ，t 1 1 e p o w e rd e n s 时b e c o m e sh i g h e r 如dh i 曲e ri n c r e a s i n gp o w e rd e n s i 劬w l l i c hm a d e t l l ec 0 0 l i n g o ft l l et r a n s f 0 珊e rh a r d e ra n dh a r d e r f o r1 1 i 曲- p o w e rl l i 曲l j r e q u c n c ym g h - v o l t a g e 仃觚s f b m l e r t l l ec o o l i n g 锄di i l s u l a t i n g a r et o g e 也e r ，锄dt l i ef i r s tt h o u g h ts h o u l db ei n s u l a t i o 玛州c hl i m i t s 恤仃孤s f o n i l e r sc a o l i n g m e t l l o d s b e c 龇l s eo fm el l i g h - 疔e q u e n c y 觚dl l i g h - v o l t a g e ，t l l ee l e c t r o m a g n e t i ct e m p e r a t u r e d e t e c t i o nf a i l s ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti si n l p o s s i b l e t l l i sy e 碣、加t i lt l l ec o m p u t a t i o n a l f l u i dm e c h a i l i c s 髓di t sc o n t i i l u o u sd e v e l o p m e mo fc o m m e r c i a ls o 脚a r e ，m a k i 工l gu s e0 ft l l e c o m p u t e rs i i i l u l a t e l ec o u p l e df l o wf i e l da n dt e m p e r a n l i ef i e l db e c o m e s ar e a l i 够 i n “sp a p e r ，f i r s t l y ，i 1 1 仃0 d u c i n gs o m et l l e o r i e s ，w i l i c hr e l a t et 0 也em e 加a l s h u l a t i o no fh i 曲雠q u e n c y 咖s f 0 衄e rs y s t e m s ， l m ed e s c 舶e st l l eh ea t 仃a n s f e r m e c l 姗【l i s mo fm e 位眦s f o r m e rs y s t e ma n dc o o l i n gm o d e ，t 1 1 e 眦l s f l 0 珊e r 觚dt l l es i l i c o nh e a p h e a tt 1 1 e o r y f v m sn 哪e r i c a lm e t l l o d s ，m a m e m a t i c a lm o d e l s ，也eb 邪i cm o d e lo ft u r b u l e n c e 锄ds oo n t h e no nn l e s ep r i n c i p l e sa i l dn l e o r i e s ，u s i n gs o 讯v a r es y s t e mt 0s i m u l a t e 臼眦s f 0 册e rs y s t e m sf l o wf i e l d 锄dt e m p e r a t u r ef i e l di nt l l r e e - d i m e n s i o 玛g e t t i i l gs o m e r e s u l t s ；t 1 1 et e m p e r a _ t u ：陀d i s t r i b u t i o no f t l l ev 撕o u sp a n s0 ft l l es y s t e m ，m en o wf i e l do fw a t e r 锄d 独s f 0 衄e ro i l ；f b u l l d i n g 也eh o ts p o to f 舭t r a n s f b m e ri so nm es e c o n d a d ，n e a rt 0 s k e l e t o n 仃e m e n d o u s ，w l l i c hr e q u i r e dt 0i m p r 0 v e t l l es t r u c 嘁p l a c et l l em m s f 0 衄e ri n d i f f e r e n tw a y s ，也eh o ts p o t sa r es i g l l i f i c 觚td i f i e r e n c e s ，b u tm eb e s tw a yi sl y i n g o nt l l e d i 俄r e n ti 1 1 l e tw a t e rt e m p e 饱t u r e 觚dv e l o c i 坝g e ts o m eu s e 矗1 1r e s u l t b y n o w ，t l l e t e m p e r 种u r ef o r e c 弱to ft h e 仃暑m s f i o 册e ri sc o m p l e t e d ，砌c hp r 0 v i d e 硒s i s t a i l c eh e l pf o rt l l e t 眦1 s f o m l e rd e s i 母1 k e y w o r d s ：t r 锄s f l o 珊e r sh o ts p o t ，h i 曲- 行e q u e n c yt r 觚s f b 册e r ，n u m e n c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出 电压稳定的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、易扩容等优良特性， 被广泛应用工业、民用及军事电子设备的各个领域。近年来已成为世界各主要国家尤 其是发达国家研究的热点，其主要发展趋势为高频化、高功率密度、高可靠和模块化【l 】 【2 】【3 】。高频变压器是开关电源的核心部件，是实现能量转换和传输的主要器件，又是开 关电源体积和重量的主要占有者和发热源，一般占开关电源总体积的2 5 并超过总重 量的3 0 【4 】；高频化使得变压器体积减小的同时损耗增加，带来变压器结构设计与散 热设计问题，而高可靠性亦对变压器的散热提出更高要求，所以合理的结构设计与散 热对高频变压器有重要意义。 本文的变压器是一大功率高频高压变压器，其散热与绝缘需同时考虑，这就决定 了变压器的散热方法有限，而油浸是目前最主流的方式，对于高频高压变压器温度的 测量，任何磁电式的温度测量仪都会受到变压器高频电磁场的干扰【5 】以及高压的破坏， 无法正常工作，光纤测温虽然不受高频电磁场的干扰，但是其技术尚不够成熟f 6 】【7 】【引， 而且耐高压的能力有限，所以通过实验测温得到的数据不多，如油温，油箱壁面温度， 进出口水温可以获得，变压器表面温度不可得。因此高频高压变压器温度的测量还是 一难题。 基于此，应用c f d 【9 】( 计算流体力学) 软件对变压器的温度进行数值仿真就具有 重要的参考意义，应用c f d 软件就能在设计阶段得到变压器的温度分布，热点参数， 预测散热效果，发现及改进变压器系统存在的结构及散热上的不足，从而缩短变压器 的设计研发周期，减少设计成本，提高变压器的一次成功率，改善变压器性能和可靠 性。 1 2 国内外发展现状 随着计算机技术的不断提高和c f d 方法的不断完善，c f d 数值模拟技术在产品设 计中起着越来越大的作用，数值方法主要有：有限差分法、有限容积法、有限元素法及 一 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 i _ 。一一 有限元分析法等【9 1 【l o 】。 有限差分法是求解偏微分数值解的最古老的方法。对简单的几何形状中的流动与 传热问题也是一种最容易实施的方法。其不足的是离散方程的守恒性难以保证，而最严 重的缺点则是对不规则区域的适用性差。 用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，而且物理意义明确，对区域 形状的适应性也比有限差分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方法。 有限元法对不规则几何区域的适应性好，但在对流项的离散处理及不可压n a v i e 卜 s t o k e s 方程【1 0 】的原始变量法求解方面不如有限容积法发展成熟。有限元分析法是8 0 年 代初发展起来的一种数值方法，它可以克服在高r e 数下有限差分法及有限容积法的数 值解容易发散或振荡的缺点，但其计算工作量较大。 目前，国内外已有很多成熟的商业软件来进行热设计模拟【1 1 】【1 2 】，且在各自擅长的 领域都有突出表现，例如在小功率电子设备热设计中常用i c e p a c k 、f l o 也e m ，它们都 是基于有限容积法的软件，这些软件入门简单，容易学习，同时也不需要太多的热学 基础，但这些软件一般比较适合于结果形式简单且网格数量不多的系统，可以在小功 率电子设备的芯片级、板级、系统级设计中应用，如印制板、插盒、机箱、机柜等【1 3 】 【1 6 】：而对于网格数量多、结构形式复杂的系统来说，需要借助功能更强大的软件，例 如a n s y sf l o t ra n ，a n s y sc f x ，a n s y sf l i 陋n t 等，a n s y sf l o t ra n 是 a n s y s 多物理场的一个模块，基于有限元法，而c f x 、f l 切烈t 先后被a n s y s 公司 收购，所以冠以a n s y s ，他们也是基于有限容积的c f d 软件，能模拟各类复杂及简 单的流场和温度场，在大功率电子设备，发动机，柴油机中引用广泛【1 7 】【2 3 】；在航天 航空领域应用s t a r c d 软件对飞行器的流场分布进行仿真，大大减少了风洞的负担。 国外热分析技术发展较早，积累了相当多的经验。应用亦很广泛，如电子、航空、 航天、电力、化工等领域。相对来说，国内这方面起步较晚，还不成熟，但也在逐步 发展中，很多科研机构及公司先后引进各种c f d 软件，并应用到产品设计中，提高了 产品的质量。 在变压器的热设计中，c f d 仿真软件已有应用，例如文献2 4 就对一小功率自然冷 却的变压器利用a n s y s 建立三维模型，并仿真其温度分布，所得结果对开关电源变压 器的热设计具有一定的指导意义。文献2 5 建立油浸电力变压器绕组的二维模型，利用 n u e n t 软件仿真得到温度场分布与热点温度，并与测量结果对比，验证了仿真模型的正 ：西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 确性。文献2 6 对一个用热管冷却的大功率高频变压器进行模型简化，通过有限元仿真 得到变压器的温度场和流场分布结果，并与实验结果对比。所以目前在变压器热设计 中，软件模拟多在结构简单、流场单一的场合应用，对于结构复杂、流场多的变压器 的三维仿真还很少见，本文主要对油浸的大功率高频高压变压器进行热流体耦合分 析，其结构复杂，包括水和变压器油两个流场，且两流场的流体处于不同的流动状态， 通过仿真得到整个变压器系统的温度场与流场分布，分析其热点，流场特性，分析影 响温度分布的各因素，并以实验结果间接验证了仿真的正确性。 而本文仿真的另一个特点是变压器油的三维自然对流，这在目前的研究中也是很 少见的，例如文献2 7 论述和分析了封闭方腔自然对流换热的研究进展，研究了采用商 业软件f l u e n t 对此模拟的方法以及换热规律研究的可行性，所获得的数值模拟结果 与研究文献做了对比分析；文献2 8 对均匀内热源溶液池内的自然对流及冷却盘管内强 制对流的耦合传热过程进行了分析，建立了相应的三维物理数学模型，并采用有限容 积法进行了数值求解，流体间换热系数的数值计算结果与实验测试结果吻合很好。以 上两篇论文都是对结构简单，体积小的系统做自然对流传热的仿真。本论文中热源分 布零乱，使得变压器油的流动复杂，而且变压器油自然对流的流速很低，要准确捕捉 到它的运动状态，需要相当的网格和很大的计算量，这就对计算机资源提出高的要求。 1 3 本文主要工作 l 、进行热学与流体学及相关数值方法的理论学习，通过对这些理论的了解，可以 更切合实际的进行数值模拟。 2 、学习变压器和硅堆生热的机理，在具体工作情况下合理估计热源大小，建立三 维的变压器模型，仿真其损耗。 3 、通过对仿真软件的学习，发现它在有流固耦合传热设备散热设计中的应用前景。 4 、用软件对变压器系统进行数值模拟，发现变压器系统结构设计中的问题，分析 得到变压器处在不同放置方式时，热点温度差异大，还分析了环境温度、入口水流速 度对系统温升的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 一1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第二章热学、流体学、变压器冷却基础 2 1 热学基本理论 2 1 1 稳态与非稳态传热 凡有温差的地方就有热量的传递，热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程 两大类【2 9 】。 1 稳态传热 如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系 统的热量：q 漉入+ q 生成+ q 漉出= 0 ，则系统处于热稳态。稳态时的能量平衡方程为( 以 矩阵形式表示) 为： 【明 力= 必 ( 2 1 ) 式中【k 】一传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数 r ) 一节点温度向量 q ) 一节点热流率向量，包含热生成 2 瞬态传热 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流 率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡 可以表达为( 以矩阵形式表示) ： 【c 】p + k 弦) = q ) ( 2 2 ) 式中 【k 】一传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数 【c 】一比热矩阵，考虑系统内能的增加 刃一节点温度向量 于 一温度对时间的导数 q 一节点热流率向量，包含热生成 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 i 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) q 一= u + 磊汜+ 尸e ( 2 - 3 ) 式中q 一热量 w 一作功 u 一系统内能 刖跹一系统动能 出氇一系统势能 对于大多数工程传热问题：刖匝= 叫堰= o 通常考虑没有做功：形= 0 ，则：q = u 。 对于稳态传熟：q = u = 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量。 对于瞬态传热：g ：掣，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 c i t 2 1 2 热传递方式 熟传递的方式分为：热传导、热对流和热辐射【2 伽。 1 热传导 熟传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由 于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律： 曰一：一七塑 ( 2 4 ) 出 式中 g ”一热流密度( w m 2 ) j | 一导热系数( w h ) “l 热量流向温度降低的方向 导热系数是物质固有的热物性参数之一。影响物质导热系数的因素主要是物质的 种类和温度，此外还有密度、压力、湿度等。同一种物质导热系数也不尽相同，与其 物理状态，纯度、化学组成等相关。但导热系数具有一定规律：一般而言，金属导热 系数大于非金属，固相导热系数大于液相，液相导热系数大于气相，金属及非金属在 晶态的导热系数大于无定性态，晶体结构差异也会影响物质导热系数。因此至今都无 法用理论的方法给出导热系数的精确计算公式，而是通过实验的方法得到物质的导熟 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 系数。 2 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的 交换。热对流用牛顿冷却方程来描述： g 。= 厅( c 一瓦) ( 2 - 5 ) 式中b 一对流换热系数( 或称膜传热系数、给热系数、膜系数等) 不一固体表面的温度 瓦一周围流体的温度 表面传热系数的大小与换热过程中的许多因素相关。它不仅取决于流体的物性以 及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切关系。对流换热系数只是反映 在特定条件下对流换热的一个综合强度。一般而言，水的对流换热比空气大，有相变 的对流强于无相变的对流，强制对流高于自然对流。 3 热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质， 而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时 辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计算： g = 剃1 五2 ( 互4 一巧) ( 2 - 6 ) 式中 g 一热流率 占辐射率( 黑度) 。 仃一斯蒂芬一波尔兹曼常数，约为5 6 7 1 o 。8w m 2 k 4 a l 一辐射面l 的面积 互2 一由辐射面1 到辐射面2 的形状系数 互一辐射面1 的绝对温度 兀一辐射面2 的绝对温度 一一 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 实验表明，物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸 收本领也不大一样。一切实际物体的辐射能力都小于黑体，所谓黑体，是指能 吸收掉投入到其表面的所有热辐射能量的物体。 一 2 2 流体流动方式 物质存在的形态有三种：固体、液体和气体，通常把液体和气体统称为流 体。流体具有压缩性，通常情况下气体的压缩性很大，液体的压缩性很小；流 体具有粘性，粘性是指具有抵抗两层流体间相对滑动速度或更通俗的说法是抵 抗变形。粘性大小依赖于流体的性质，并随温度变化。 流体流动方式按其流动的起因分为自然流动和强制流动两种1 3 0 】。 由于流体内部存在着温度差，使得各部分流体的密度不同，温度高的流体密度 小，必然上升；温度低的流体密度大，必然下降，从而引起流体内部的流动为自然 流动。常见的对流情形，流体的密度变化很小，流体的速度也足够慢。可将流体视为 准不可压缩的。除了对流换热是重力作用下密度变化引起的外，导致密度变化的其他 影响都忽略不计，这就是自然对流的b o 邯s i n e s q 假设。这个假设可表示为密度与温度 的简单线性函数方程： p = p 。【1 一仃一瓦) 】 ( 2 7 ) 其中风为流体的( 常) 密度，矗为操作( 工作或环境) 温度，为热膨胀系数， 且肛吉( 等) 。 强制流动表现为流体在外力或压差的作用下产生流动，其流动是外部施加作用的 结果，如泵、风机等。 2 3 流体流动状态 液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂，质点没有径 向的运动，都保持各自的流线运动。这种流动状态，称为层流运动，如图2 1a 所示。 管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。 这种运动状态，称为紊流运动，如图2 1c 所示。层流到紊流间存在过度状态，如图2 1 b 所示。 f 。一一 一。 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 i a b 图2 1 流体流动状态 c 实验发现：层流和紊流转捩的临界流速与管径、流体密度和动力粘性系数有关。 临界流速与动力粘性系数成正比，与管径和流体密度成反比。由量纲分析可得： k = ( p ，d ，) ( 2 - 8 ) k - c 与- c 茄 0 味o u c ：塑，c ：型 社p ( 2 1 0 ) r e c ：堡型：型：，( 来流扰动，边界条件) ( 2 1 1 ) y 把这个无量纲数称为临界r e 数。对于同一边界特征的流动，下临界r e 数是不变 的。对于圆管流动脚o l d s 给出的结果是，r e c = 2 0 0 0 ，s c l l i l l e “1 9 2 1 ) 给出的结果为 2 3 2 0 ( 目前认为比较精确，普遍用2 3 0 0 ) ；后来人们重新分析r e y n o l d s 实验结果，发现 r e c = 2 4 0 0 。上临界r e 数是一个变数，与来流扰动直接有关。r e 数表示惯性力与粘性 力的比值，惯性力的作用是促使质点失稳，扰动放大；粘性力的作用是对质点起约束 作用的，是遏制扰动的。r e 数大表示质点惯性力大于粘性力，流动失去稳定，流动为 紊流；r e 数小表示质点粘性力大于惯性力，流动稳定，层次分明，层流1 3 1 1 。 2 4 变压器冷却技术简介 变压器常用冷却技术有空气冷却技术和液体流冷却技术，分别适用于不同的应 用场合【3 2 】【3 6 】。 ( 1 ) 空气冷却技术根据流体流动的起因分为空气自然对流冷却和空气强迫对流冷 却，这种冷却方式适用于变压器温升不高且变压器绝缘要求不高的场合。 空气自然对流冷却技术是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现发热器件向 周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常包含了导热、对流、辐射三种主要传 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 热方式，其中对流以自然对流为主。当变压器发热量不大时可采用这种散热方式，这 种方式即安全又可靠，一般应优先考虑。但当变压器的热流密度超过o 0 8w c m 2 时， 这种冷却方法就已经不能够解决它的冷却问题了。 空气强追对流冷却主要是借助于风扇等强迫周边空气流动，从而将变压器发出的 热量带走的一种方法。由于设计简单、使用方便以及成本低等优点得到了充分的发展。 但是由于空气比热容小，风速受到噪音的限制又不能太大，因此空气冷却的冷却能力 一般不超过1 ow c m 2 。 ( 2 ) 变压器液冷又分为油浸自冷式、油浸风冷式、油浸水冷、强迫油循环。 油浸自冷式就是以油的自然对流作用将热量带到油箱壁和散热管，然后依靠空气 的对流传导将热量散发，它没有特制的冷却设备，这样的结构在电力变压器中应用较 多。 油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风 机帮助冷却。 油浸水冷是在油浸自冷的基础上，变压器热量传到油中，油将热量传导油箱壁中 的水或穿过油的水管，这样的水冷又分开环式和闭环式，开环式即冷却水不循环，这 ， 样的冷却需要大量的水，太浪费，不符合节水要求；闭环式即水在系统中循环流动， 需要泵、水箱、控制器等额外设备，结构相对复杂，且对冷却水的要求较高，需要高 纯度的水，以防在管道壁面上结垢，这样的密闭式冷却节水环保。 强迫油循环冷却方式，又分强油风冷和强油水冷两种。它是把变压器中的油，利 用油泵打入油冷却器后再复回油箱。油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹 风或循环水作冷却介质，把热量带走。 一 ，西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 第三章热源分析 本文中热源有两个，变压器和硅堆，各自的发热原理简介如下。 3 1 变压器损耗 本文研究对象为一高频高压的升压变压器，考虑变压器系统高压绝缘问题，它们 不能裸置于空气中，而是采用浸油的方式，油箱使用铝，以减少高频变压器的漏磁在 油箱上产生的损耗。 高频变压器的损耗又分为铁损和铜损，铁损是磁芯产生的损耗，铜损是线圈产生 的损耗，但是高频变压器损耗较低频变压器有其特殊性，分析如下： 高频变压器的绕组损耗只定义为： 己= k ，如 ( 3 1 ) 上式中& 为绕组的直流电阻，为电流有效值，k ，= 如，称为导线的交 流电阻系数。由于集肤效应( s k i ne 毹c t ) 和邻近效应( p r o x i m 埘e 毹c t ) 的影响，导线的交 流电阻要大于直流电阻，因此k ，是高频变压器设计过程中的重要参数。 1 集肤效应 集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过， 这种现象叫集肤效应。如图4 1 所示，当导线中流过交变电流时，按右手法则将产生 离开或进入剖面的磁力线，进而产生涡流。由图可知，涡流的方向加大了导线表面的 电流，抵消了导线中心的电流，使得电流只在导线的表面流动，而导线中心却无电流。 导线传说直流电流时，电流通过导线截面均匀分布，而传送高频交流电流时，电流则 集中于导线表面传送，因而呈现出较大的电阻【3 7 3 引，考虑导线在高频下的肌肤深度， 导线的直径一般不能超过两倍集肤深度，当需要的线径大于两倍集肤深度时，可采用 小直径的导线多股并绕。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 二鸳豢畜案抵绡 = 巧 ( 3 2 ) 2 邻近效应 相邻导线流过高频电流时，由于磁电作用使电流偏向一边的特性，称为邻近效应。 当导线被分成几层绕制时，由于邻近效应的影响，电流集中在绕组交界面间流动，因 此邻近效应又称为线圈的集肤效应。邻近效应随绕组层数增加而呈指数规律增加，其 影响远比趋肤效应影响大【3 9 】。 d o 、e l l 在1 9 6 6 年提出了著名的d o w e u 模型，给出了交流电阻系数k ，的计算公式： 墨= y lm ( y ) + 2 3 ( 朋2 一1 ) d o ) i ( 3 3 ) 其中，y = 吃艿，红为导体厚度( 对圆导线吃= o 8 3 4 d d s ，d 为导线直径，s 为 绕线中心之间距离) ；占为1 0 0o c 时的趋肤深度万= o 0 7 1 厂，m 为层数； 蛐，= 嚣筹嵩 c o s n ( z y 一c o s ( 1 ，l 她，= 器砉器 c o s n ( y ) + c o s i ， ( 3 4 ) ( 3 5 ) 以上是分别考虑集肤效应和邻近效应的影响，但是实际中这两种影响是交叉在一 起的，很难将他们区别开，所以意图通过上面的公式计算将多层多段绕组的损耗计算 出来是不准确的，通过仿真绕组的损耗来预测本文拟通过仿真来获取其铁损总值，将 两种效应一起考虑。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 图3 2 变压器铜损仿真模型 变压器铜损仿真模型如图3 2 ，模型将变压器的初级按实际导线模型建立，因为初 级线为励磁线，其高频效应低。对于次级，此处做了如下假设和等效，在保持相同的 铜芯截面积情况下，将圆导线等效成矩形导线【3 6 】【37 1 ，等效过程如图3 3 所示： 图3 3 圆导线到矩形导线的简化过程 经过以上等效，得到结果为： 变压器初级损耗为p 韧耀= 5 0 8 0 0 w 变压器绕组的总损耗为p 总= 2 1 0 8 w 因此变压器的次级绕组损耗为 p 次擐= p 息p 韧= 2 1 0 8 2 0 8 = 1 6 0 w 目前磁芯的损耗分类主要分为三种：磁滞损耗尸h 、涡流损耗尸。、剩余损耗尸。这 三种损耗的表达式有多种【4 0 】【4 3 】，比较常见的可以表示为： 只= 丸归， ( 3 6 ) 尸= 七。( 归。) 2 ( 3 7 ) 只= 屯( 级) 3 7 2 ( 3 8 ) 显然这三个损耗与都与工作频率厂、磁芯最大磁通密度b m 有关，因此经常将这三 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 个损耗的总和用一个公式来表示： 只= 后，厂。毛声( 形所3 ) ( 3 9 ) 上式即为磁芯损耗的s t e i n n l e t z 方程，它表示磁芯在周期性的正弦信号激励条件下， 单位体积的功率损耗【删。磁芯的性能主要取决于磁芯的材料特性，由于磁芯的非线性 使得磁芯损耗的计算较难，更多的是通过实验上测量小磁芯样品b p 曲线，获得磁芯 在不同工作频率下的损耗曲线【4 5 】。 要获得实际工作状况下的磁芯损耗也不是简单的事，同样磁芯的损耗可以通过图 4 2 的仿真模型仿真得到，仿真结果为4 0 0 w ，由此得到变压器总损耗6 l o w 。这个值 的准确性还需通过实验来验证。 3 2 硅堆损耗 硅堆实际就是二极管的串联，以耐更高的电压，所以硅堆实际就是二极管，二极 管的损耗就是硅堆的损耗，内部结构简化如图3 4 所示，当然实际的要考虑均压均流， 结构复杂【蛔。 图3 _ 4 硅堆内部结构简化图 本文中的二极管不仅是高压，也是高频的，所以他的损耗和一般二极管比较开通 和关断过程中产生的损耗不可忽略，因此根据高频二极管的工作过程，将二极管的损 耗分为正向导通损耗、反向恢复损耗、正向恢复损耗，反向阻断损耗【4 7 】f 4 8 】。下面一一 分析。 电流o l a j 1 电j b v n 卜- 一 图3 5 二极管正向导通工作特性 如图3 5 所示，在正态特性的开始部分，由于正向电压很小，外电场还不能克服 = 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 l p n 结的内电场，因此这时的正向电流几乎为零，二极管对外呈现一个大电阻。当正向 压降上升到一定值时，正向电流才能明显增大，这时二极管开始导通，此时对应的正 向电压称为二极管的门槛电压，二极管的正向电流随着正向电压的增加按手旨数规律上 升。在实际电路中，二极管导通时的稳态电流一般由外电路决定。此时正向导通损耗 表示为： 砟= ( 3 - 1 0 ) 式中为正向压降，f 为正向电流。 二极管的反向阻断损耗即二极管处于反向关断状态时，由于漏电流产生的损耗， 与温度、反向电压相关，可表示为： = j s ( 3 - 1 1 ) 式中为反向压降，以为反向漏电流。 i ，也。m 图3 6 二极管反向恢复工作特性 二极管反向恢复工作特性如图3 6 所示，正在导通的二极管突然加一反向电压时， 反向阻断能力的恢复需要经过一段时间【4 9 l 。在未恢复阻断能力之前，二极管相当于短 路状态，这是一个很重要的特性。图中j 删为最大反向恢复电流，t r r 为反向恢复时间。 反向恢复损耗表示为： = j 厶廊 ( 3 - 1 2 ) o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 p h d 图3 7 二极管开通特性 二极管开通特性如图3 7 所示，二极管的导通有一个过程，导通初期出现较高的 瞬态压降，经过一定时间后才能处于稳态。这就说，二极管的导通初期呈现明显的电 感效应，不能立即响应正向电流的变化，图三给出了二极管导通特性曲线。在正向恢 复时间内，正在导通的二极管具有比稳态时大得多的峰值电压。正向恢复损耗表示为： 吧 = l ，d 础 ( 3 - 1 3 ) 5 二极管的工作过程是一个复杂的过程，其损耗和多种因素相关，只能根据厂家提 供的参数和实际工况估计其损耗大小，本文中所用硅堆为雷盛公司的2 c l g 系列，估 计其损耗值为2 0 w 一个，共用1 6 个，总损耗4 0 0 w 。 经由以上，对变压器、硅堆损耗进行理论的定性分析，而无法完成具体的定量分 析。变压器损耗通过仿真得到，还需通过实验验证，硅堆损耗估测得到，系统总损耗 为9 3 0 w 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 4 1c f d 概述 第四章软件简介及数学模型建立 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n “f l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数值计算 和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的 基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力 场，用一系列有限离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关 于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近 似值【5 0 】。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内 各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时 间的变化情况。此外，还可与c a d 联合，进行结构优化设计等。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整 体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指 导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行 抽象和简化，才有可能得出理论解。对于比较复杂的非线性情况，只有少数流动才能 给出解析结果。其应用范围是有限的。 实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其 重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的 限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和 物力的巨大耗费及周期长等许多困难。c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在 计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。 要完成c f d 计算，过去多是用户自己编写程序，由于c f d 得复杂性及计算机软 硬件得多样性，使得自己编写的程序缺乏通用性，但c f d 本身又有很强的规律性，因 此适合制成通用的商业软件【4 7 1 。迄今，已有p h o e n l c s 、f l u e n t 、s t a r c d 、c f x 、 n u m e c a 等商用c f d 软件，这些软件的显著特点是： l 、各种c f d 通用软件的数学模型都是以纳维斯托克斯方程组和各种湍流模型为 主体，加上自由面流模型、燃烧与化学反应模型、多相流模型以及非牛顿流体等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 i 2 、离散方法采用有限体积或有限元法。 3 、c f d 通用软件能适用于低速到超高音速的速度范围。 4 、适用性强、功能全面，几乎可以求解各种复杂的工程问题。 5 、与其他c a d 及c f d 软件的强大接口能力，方便用户建模，划分网格等处理工 作。 6 、完美的操作界面，方便学习与使用。 7 、可在多种计算机、多种操作系统下运行，能并行运算，节约计算时间。 随着计算机技术的飞速发展，这些商用软件在实际应用中发挥着越来越大的作用。 表4 1 给出各种商用c f d 软件的对比信息。 表4 1 常用c f d 软件对比 软件名称开发或经营单位国别适用机型主要功能 个人机求解流动与传热问题的通用 c f x a n s y s i i l c 美国 工作站软件，符合i s 0 9 0 0 l 标准 个人机求解流动和传热问题的通用 f l u e n t a n s y s i n c 美国 工作站软件 个人机求解流动、传热、燃烧的大 p h o e n i c sp h o e m c s 软件公司英国 工作站型通用软件 个人机世界范围公认的顶尖发动机 肌 a v l 美国 工作站分析软件 求解流动、传热、燃烧的大 工作站 s t a r - c d c d a d a p o c 集团公司 英国型通用软件，尤其适用于内燃机 巨型机 内流场分析 具有高速度、高精度、低内 个人机 存需要等特点，是现代流体工程 n u m 【e c am ，c a 国际公司 比利时 工作站实现其设计、制造自动化的首选 c f d 软件 一 一 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 4 2 软件简介 4 2 1 软件基本介绍 选择基于有限容积法的仿真软件，原因有两个：一是本仿真模型结构复杂，使用 其强大的网格划分软件进行网格划分，方便，网格质量也好。二是在流动、传热的求 解上都很完善，计算速度也快，界面友好方便使用。 本仿真软件是全球第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件，是英国 a e a t e c h n 0 1 0 9 y 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在 工业应用背景中的一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为 其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着c f d 技术的不断发展。目 前，其应用已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物 技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6 0 0 0 多个用户解决了大量 的实际问题【5 l 】。 2 0 0 3 年，加入了全球最大的c a e 仿真软件的大家庭中并正式更名。我们将会得到 包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整体 解决方案。下面简介一下特点。 第一、精确的数值求解方法，和大多数c f d 软件不同的是，它采用了基于有限元 的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精 确性。 第二、其次是快速稳健的求解技术，是全球第一个发展和使用全隐式多网格耦合 求解技术的商业化软件，这种革命性的求解技术克服了传统算法需要“假设压力项一求 解一修正压力项”的反复迭代过程，而同时求解动量方程和连续性方程。再加上其采用 的自适应多网格技术，它的计算速度和稳定性较传统方法提高了l 2 个数量级。 第三、丰富的物理模型，它的物理模型是建立在世界最大的科技工程企业a e a t e c l l i l o l o g ) ，5 0 余年科技工程实践经验基础之上，经过近3 0 年的发展，拥有包括流体流 动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题的丰富的通用物理模型：还拥有诸 如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实 气体等大量复杂现象的实用模型。 第四、领先的流固耦合技术，借助于其在多物理场方面深厚的技术基础，以及该 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 仿真软件在流体力学分析方面的领先优势，强强联合推出了目前世界上最优秀的流固 耦合( f s i ) 技术。最新的双向f s i 技术完整地考虑了结构和流场之间的相互影响。 第五、集成环境与优化技术，因其被集成的环境提供了从分析开始到结束的统一 环境，使用者的工作效率得以提高。在该集成环境下，所有的设置都是统一的，并且 可以和c a d 数据相关联，包括分析后对几何的修改，求解器参数，后处理的设置和用 户自定义的表达式等。 第六、独具特色的前处理，本仿真软件的前处理模块是一个高度智能化的、为专 业c f d 分析软件提供高质量网格的软件，的两大特色是：先进的网格剖分技术和一劳 永逸的c a d 模型处理工具。在c f d 计算中，网格技术是影响求解精度和速度的重要 因素之一。它的前处理模块向用户提供业界领先的高质量网格技术，其强大的网格划 分功能可满足c f d 对网格划分的严格要求：边界层网格自动加密、流场变化剧烈区域 网格局部加密、网格自适应用于激波捕捉、分离流模拟、高质量的全