学习comsol multiphysics电力电感器的有限元法仿真分析

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1、l基于COMSOLMultiphysics电力电感器的有限元法仿真分析Simulationanalysisofpowerinductorbasedonfiniteelementsoftware‘贾阳，刘金超，郭军，左胜强，余金涛JlAYang，LlUJin．chao，GUOJun，ZUOSheng—qiang，YUJin-tao(信阳供电公司，信阳464000)摘要：电力电感器是许多低频电力应用的重要组成部分，相对较低的电压和高功率损耗决定了电感器设计有非常严格的要求，传统的依靠现有的解析公式或经验公式无法准确地得到实际的阻抗和电感量，随着计算机仿真技术的迅速发展，使实际工

2、程应用问题得到有效解决，本文通过利用多物理场仿真分析软件COMSOLMultiphysics以实现对电力电感器的精确设计，得到在指定的材料参数和一定频率下的电感值，磁通量密度，以及电势分布。关键词：电力电感器；COMSOLMultiphysics；有限元分析；多物理场中图分类号：TP242文献标识码：B文章编号：1009Doi：10．396~l／J．issn．1009-0134．2012．9(上)．360引言铁材料，空气采用简化的空气的材料模型。电力电感器周围的空气域采用非零低电导率建模，这电力电感器是许多低频电力应用的重要组成样可以提高模型迭代求解的稳定性。如果电流流部分

3、。电感器常用于开关电源和DC—DC转换器。过导体趋肤深度是比导体几何尺寸大得多的时候，在一定的频率下，电力电感器配合高功率半导体空气域的电导率为零对模型求解的影响就可以忽开关，可以加强或减弱输出电压。相对较低的略不计了。电压和高频高功率损耗决定了电源设计有非常严格的要求，尤其是电感器，它必须根据开关频率，表1电力电感器模型中各部分所用材料的属性额定电流和热环境等要求进行设计。电力电感器通常具有磁心以增加其电感值，降低对高频率的要求，同时使其频率保持较小值。磁芯也减少了其他设备对其的电磁干扰。目前，仅仅通过简单的解析公式或经验公式来计算的阻抗，具有一定的局限性和精确性限制，很

4、难得出实际1．2电磁场模型准确值，随着计算机仿真技术的迅速发展，使实该模型使用COMSOLMultiphysics有限元分际工程应用问题得到有效解决[2-4]o计算机模拟析软件的电磁场的物理接口，并且考虑到电磁感仿真对电力电感器的精确设计是十分必要的，模应电流。该接口用典型的AV方程式来解决了磁矢型采用外部CAD软件绘制的三维几何模型，通量势和电势为使求解模型具有良好的收敛过COMSOLMultiphysics软件与通用的CAD绘图性和稳定性，通常求解规范固定的磁标势场，其软件的接口将绘制的三维几何模型导入COMSOL控制方程如下：Multiphysics中去，最后计算在指

5、定的材料参数和一V．：O(1)定频率下的电感值，磁通量密度，以及电势分布。在低频率条件下电感几乎是恒定不变的的。1材料及仿真模型的建立但对于高频而言，其电容效应影响电感的变化，1．1材料模型从而引起了频变电感。模型增加频率的一个限制电力电感器模型中各部分所用材料属性见表因素是趋肤深度，趋肤效应增大了导体的有效电1，其中导线域采用纯铜材料，磁心材料采用软阻。随着频率的增加，趋肤效应就越明显。如果收稿日期：2012-06-14作者简介：贾阳(1978一)，男，河南信阳人，助工，本科，主要从事电力工程工作。第34卷第9期2012—9(上)[1091导体中通有较高频率的电流，通常认

6、为电流仅是其中∞为角频率，Y1为导纳。流过导线表面上很薄的一层区域，这相当于减小1．3几何模型与有限元模型导体横面，从而增大了有效电阻。实际上导体的中心部分几乎没有电流通过，所以将导体的心部分除去以节省材料。因此，往往在高频电路中可以采用空心导体代替实心导体的处理。所以当频率在10千赫左右时，电感器模型需要在导体边界或阻抗边界条件的区域采用较细的网格，以提高求解的精度。此有限元模型是关于电力电感器的电力电感分析，模型中要涉及电场和磁场求解，因此首先(a)电力电感器三维几何模型根据安培定律和电流守恒定律来建立电力电感器的电场分析模型。其电磁场模型的控制方程如下所示：V．J=0

7、V×H=JJ=o-E+／coD+J．(2)E=——VV——jcoAB=V×A(b)电力电感器有限元网格其中为电流密度，日为模型所用材料相对磁图1电力电感器的三维几何模型和有限元模型导率，为电势，盯为模型所用材料的电导率，∞电力电感器模型的有限元分析是电力电感分为角频率，A为磁矢量势，D为相对介电常数。析研究的重点，而空气域只是为了使模拟求解更空气域、磁心域和铜导线域都采用磁标势规加接近真实的情况，因此为了降低计算机的计算范固定处理，这里设置散度条件变量缩放为1Alto。成本，加快模型求解速度，将磁心域和铜导线域在通