非晶和纳米晶合金高频变压器磁芯和绕组的特性研究

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1、分类号：TM72密级：公开UDC：621.3编号：201211401008河北工业大学博士学位论文非晶和纳米晶合金高频变压器磁芯和绕组的特性研究论文作者：刘晓晶学生类别：全日制学科门类：电气工程学科专业：电气工程指导教师：汪友华职称：教授朱建国教授资助基金项目：国家自然科学基金（51377042）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheDoctorDegreeofElectricalEngineeringSTUDYONMAGNETICCOREANDWIN

2、DINGCHARACTERISTICSINHIGHFREQUENCYTRANSFORMERSWITHAMORPHOUSANDNANOCRYSTALLINEALLOYSbyLiuXiaojingSupervisor:Prof.WangYouhuaProf.ZhuJianguoMay2016ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51377042.原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中

3、已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向

4、国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要随着电力系统的发展和工业应用的广泛需求，高频变压器在电力电子中得到了普遍应用，尤其是在近几十年得到了极大的关注和长足的发展。基于非晶和纳米晶合金优异的电、磁及电磁复合特性，其广泛应用于高频变压器的磁芯。本文对非晶和纳米晶合金磁芯的高频变压器进行了研究，对高频变压器优化设计中存在的主要问题进行了讨论，对非晶和纳米晶合金这两种新型软磁材料的磁特性、绕组的涡流效应、分布参数的计算、损耗计算以及优化等问题

5、进行了深入研究。首先，制作了两个非晶和纳米晶合金磁芯，通过环形样件法对非晶和纳米晶合金磁芯的高频磁特性进行了测量。根据实验数据，绘制了非晶和纳米晶合金磁芯在不同频率下的磁滞回线以及损耗曲线，通过斯泰因梅茨方法和损耗分离方法，计算得到了非晶和纳米晶合金磁芯的损耗系数。结果表明，同样条件下，纳米晶合金的磁芯损耗比非晶合金的要小。通过有限元方法计算并分析了因带材端部效应而引起的磁芯附加损耗，通过分析影响端部效应的因素，研究了端部效应对磁芯损耗的影响。结果表明，考虑端部效应的非晶合金磁芯带材的磁芯损耗大于未考虑端部效应的非晶合金磁芯

6、带材的磁芯损耗。而磁芯带材的端部效应对高频变压器的影响，需要根据磁芯的实际厚度以及运行的频率等方面进行综合分析研究。其次，推导了铜箔绕组和铜线绕组在涡流效应下的解析解模型，建立了利兹线绕组的解析解模型，通过引入的邻近效应因子，对利兹线绕组的解析解模型进行了有效改进。通过有限元方法，计算了三种绕组的电流密度分布，分别计算并比较了在两铜箔绕组、两铜线绕组以及利兹线绕组的解析解模型和有限元模型中铜箔绕组、铜线绕组以及利兹线绕组的交流电阻，结果表明，建立的解析解模型具有一定的精度，而经过改进的利兹线绕组解析解模型计算得到的结果和有限

7、元模型吻合较好，其相对误差不超过1%。再次，通过静态电容模型，计算了铜箔绕组、铜线绕组以及利兹线绕组的电容。根据铜线绕组中实际的电场线路径渐变弯曲现象，提出了一种新颖的电容计算模型，通过有限元模型的比较，该电容计算模型比传统电容计算模型更形象，结果更精确。在考虑绕组电荷分布不均匀的情况下，提出了一个动态电容解析模型。通过静态电容模型和动态电容模型的比较，发现动态电容比静态电容要小。最后，根据高频变压器的等效电路，通过搭建的绕组测试平台，对利兹线绕组进行了参数测量。根据高频变压器优化设计流程，利用有限元方法，对四个不同磁芯材料

8、的非晶和纳米晶合金高频变压器进行优化设计，通过引入参数归一化评价因子，提出了高频变压器的评价指标，对四个高频变压器的性能进行比较分析，结果表明，纳米晶合金磁芯高频变压器的性能更好，其中纳米晶合金磁芯FT-3M的高频变压器的综合性能最优。关键字：高频变压器，非晶和纳米晶合金，磁芯特性，利兹线