电感模型和材料物性设置得探讨

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1、电感模型和电感材料设定对温升的影响--------byRockieLu前言：本文在于研究用icepak建模的时候，电感的材料属性性该如何设置，以及电感模型如何构建。其中，材料属性的探讨也适用于flotherm建模。以电感：082-11212-00(ELI3KINV/PFCL)为例，研究物理模型和材料的物理特性对电感温升的影响。外观图：物理尺寸：铁芯环外径46.7mm，内径24.1mm，厚度18mm。据实际测量，包含铜线的电感厚度约26mm，因此可以约定铜线层厚度为4mm。下面将分步研究材料物理特性和电感的物理模型对温升的影响。1材料物理性质对温升的影响在研究物理特性时，把电感看成是单一性质

2、的材料,即不区分铁芯和铜线层，建立简单的物理模型。1.1物理尺寸OD=54mm,ID=16mm,Ht=26mm.1.2材料设定在ICEPAK中，solid材料特性主要是密度、比热容和导热系数,我们就研究这三个物理特性分别对电感温升的影响。把这三个参数都设为变量。密度—>$density,比热容à$C,导热系数à$K.如下图。下面针对每个变量分别作分析：1.2.1导热系数-kWhenk>20,thedifferencesofvaluesoff0arelimitedwithin1℃.Whenkvalueissmall,temperaturechangesaccordingtokobviousl

3、y.1.2.2Specificheat-cØTemperatureirrelevantvariable.1.2.3Density-ρØTemperatureirrelevantvariable.1.2.4Surfaceareamultiplier-nØStronglytemperature-orientvariable1.3结论：○1物体导热系数k。随着k值增大，温升降低，但降低程度越来越小。对本问所研究的特定电感和特定损耗而言，当k<1时，温度随k值的减小上升得很快；k>20时，温度随k的增大而降低很慢，即使在k=50~1000的范围内，稳定后温度之差也不超过1℃.这可以借用自然散热里面

4、的一个无量纲物理量毕渥数Bi加以解释。Bi表征固定内部导热热阻与外部换热热阻之比。当k值很小时，Bi很大，内部导热热阻很大，热无法很快导出，于是导致内部温差太大，因此电感的最高温度会上升很快。k值变大，内部导热热阻变小，内部温差变小；当k值大到一定程度的时候，几乎可以认为物体内部温度分布均匀，热可以很快到达电感表面，此时k值再增大对于对流换热其实无多大影响。所以温度也不再下降。○2材料比热容c和密度ρ。事实上，这两个物理量只在瞬态换热中才会影响温度的分度，在稳态传热问题中，不影响物体温度。因为物体温度的变化是由该物体一定时间内的热量变化引起的。对于稳态传热而言，进入和流出电感的热量相等，没

5、有热量增加也没有热量流失，所以温度不变。而且这两个参数也不会影响温度的分布。○3所以，在电感建模的时候，我们只要关心它的导热系数k。只要不是瞬态传热的范围就可以不考虑电感的比热容和密度。2建立真实的物理模型。根据东磁公司的资料查得铁芯的物理特性2.1导热系数k值K=30mW/cm-Cà3W/m-C.2.2密度ρρ=6.3g/cm^3à6300kg/m^32.3比热因为铁粉芯的主要成分是Fe3O4,查资料得知比热约450J/kg-C2.4铜线层2.4.1在软件中将材料直接设为CU-pure2.4.2表面设定如不考虑辐射，surfacematerial可以随便设定由于铜线层外表面不能看成是光滑

6、面，需要设定面积倍比系数n：1.5~22.4.3铁芯与铜线层之间是有接触热阻的，这个不大好设定。根据《绝缘垫片对比测试报告》晶体管与铝挤散热片表面直接接触热阻：TO247àR-touch=0.253℃/Wà假设厚度为0.1mm—>k=1.2W/m-K。由于晶体管和铝挤散热片表面接触要比铁芯与铜线层之间的接触良好得多，所以暂取上述值的1/10，即假设k=0.12W/m-K。接触面积约=0.0034㎡，那么可以算的接触热阻=0.24℃/W。假设铁芯发热量为20W，那么接触面的温差=4.8℃。3结果按不同模型不同材料对电感进行设置并模拟(环境45℃)，相关物理量设置见表1.电感的最高温度见表2.

7、表1.物理量数值物理量k-Cuk-Fek-ResArea-multiplierTa数值387W/m-K3W/m-K0.1W/m-K245℃表2.不同模型电感温度ModelCu损耗Fe损耗Cu温度Fe温度OnlyCu40104.1OnlyFe40119.6Cu+Fe2020104.2108Cu+res+Fe2020106.6110.8OnlyCuOnlyFeCu+FeCu+res+FeSimulationModel