(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111624994.0 (22)申请日 2021.12.28 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 陈材　栾少康　唐紫嫣　康勇　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 代理人 尹丽媛　李智 (51)Int.Cl. H01F 27/28(2006.01) H01F 27/30(2006.01) H01F 27/34(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 一种平面变 压器优化设计方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种平面变压器优化设计方 法及系统， 属于平面变压器设计领域， 本发明在 确定绕组的最佳厚度以及绕组和磁芯气 隙之间 的最佳距离后， 分析平面变压器涉及的其他尺寸 参数， 选取其他尺寸参数中任意两个作为自变 量， 其余尺寸参数均可由这两个自变量表示； 接 着， 基于选取的两个自变量， 分别得到平面变压 器的总损耗和面积的表达式， 进一步得到多条总 损耗等值线以及多条面积等值线； 然后， 记录多 条总损耗等值线与多条面积等值线的切点， 基于 各切点， 得到总损耗与面积的关系曲线； 最后， 根 据总损耗与面积的关系曲线， 确定最优切点， 由 此得到平面变压器涉及的所有尺寸参数。 如此， 本发明能够提高平面变 压器的功率密度和效率。 权利要求书1页 说明书10页 附图3页 CN 114400136 A 2022.04.26 CN 114400136 A 1.一种平面变压器优化设计方法， 其特 征在于， 包括： S1， 确定绕组的最佳厚度以及绕组和磁芯气隙之间的最佳距离； S2， 在确定所述最佳厚度与最佳距离后， 分析所述平面变压器涉及的其他尺寸参数， 选 取所述其他尺寸参数中任意两个作为自变量， 其 余尺寸参数均可由所述自变量表示； S3， 基于S2选取的两个自变量， 分别得到平面变压器的总损耗和面积的表达式， 所述总 损耗包括绕组损耗和磁芯损耗； S4， 分别基于平面变压器的总损耗和面积的表达式， 得到多条总损耗等值线以及多条 面积等值线； 记录所述多 条总损耗等值线与多条面积等值线的切点， 基于各所述切点， 得到 总损耗与面积的关系曲线； S5， 根据所述总损耗与面积的关系曲线， 确定最优切点， 由此得到所述平面变压器涉及 的所有尺寸 参数。 2.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法， 其特 征在于， 所述S1包括： S11， 基于Dowell模型， 得到绕组损耗与绕组厚度的关系曲线， 选取绕组损耗最低时对 应的绕组厚度为 最佳绕组厚度； S12， 利用磁仿真， 得到绕组损耗与绕组和磁芯气隙之间距离的关系曲线， 选取绕组损 耗最低时对应的距离为 最佳距离 。 3.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法， 其特征在于， 所述S5中， 根据所述 总损耗与面积的关系曲线， 结合所述平面变压器需满足的效率以及功率密度的要求， 选取 最优切点。 4.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法， 其特征在于， 当所述S5确定的平面 变压器为变换器中最高器件时， 所述方法还 包括： S6， 获取平面变压器的总损耗与高度的关系曲线， 结合总损耗与面积的关系曲线， 确定 最优切点。 5.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法， 其特征在于， 当所述平面变压器为 分数匝平面变压器时， 所述其他尺寸参数为变压器长度、 变压器高度、 变压器宽度、 磁芯宽 度、 磁芯两边磁柱宽度、 磁芯上下盖板高度、 磁芯中心磁柱半径、 原 边绕组宽度、 副边绕组宽 度以及每 个边磁柱圆弧段 所对应的圆心角； 选取每个边磁柱圆弧段 所对应的圆心角以及磁芯宽度为两个自变量。 6.根据权利要求1所述的平面变压器优化设计方法， 其特征在于， 当所述平面变压器为 集成矩阵平面变压器时， 所述其他尺寸参数为变压器长度、 变压器高度、 变压器宽度、 磁芯 宽度、 磁芯两边磁柱宽度、 磁 芯上下盖板高度、 磁芯中心磁柱半径、 原 边绕组宽度、 副边绕组 宽度； 选取副边绕组宽度以及磁芯圆形边磁柱半径为两个自变量。 7.一种平面变压器优化设计系统， 其特 征在于， 包括： 计算机可读存 储介质和处 理器； 所述计算机可读存 储介质用于存 储可执行指令； 所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令， 执行如权利要求 1‑6任一项所述的平面变压器优化设计方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114400136 A 2一种平面 变压器优化 设计方法及系统 技术领域 [0001]本发明属于平面变压器设计领域， 更具体地， 涉及一种平面变压器优化设计方法 及系统。 背景技术 [0002]随着变换器工作频率的不断提高， 磁性元件的体积将会显著减小。 但是， 提高磁性 元件的工作频率会带来很大 的负面影响， 最主要的问题就是趋肤效应与邻近效应增强。 趋 肤效应使得导体表面电流加强， 中心电流减弱。 邻近效应是指两邻近导体分别产生的变化 磁场使得两导体上流过感应电流， 若两导体中所流经 的电流方向相同， 则两导体中电流将 呈现集中于远离侧表面的分布形式； 若两导体中所流经 的电流方向相反， 两导体中电流呈 现集中于邻近侧表面的分布形式。 趋肤效应和邻近效应引起的电流分布不均使得导体的等 效电阻值增大， 导致绕组损耗显著增加。 目前常用的减小趋肤效应与邻近效应引起损耗的 方法是改变绕组布局结构， 采用交错式布局可以减小磁场强度， 磁场变化率减小， 从而减小 电流分布不均程度， 减小损耗。 [0003]在实际变压器设计中， 会通过调节变压器磁柱 之间气隙的高度进行励磁电感的调 节， 以满足设计要求。 因此， 除了上述趋肤效应与邻近效应会导致绕组损耗显著上升外， 磁 芯气隙磁场产生的边缘效应对绕组损耗的影响同样不能忽视。 若绕组铜层处于外扩磁场范 围内， 变化的磁场 将会穿过绕组铜 层。 根据电磁感应定律与楞次定律， 绕组铜 层中将会产生 感应电压与感应电流， 从而改变绕组中电流密度的分布， 使得电流密度分布更加不均匀， 绕 组铜层等效电阻将会变大， 绕组损耗将会增加。 通过设置分布式气隙或者将气隙远离绕组 可以减小气隙外扩磁场引起的损耗。 [0004]在高频平面变压器中， 由于多个铜层的存在， 多层之间的串联与并联都需要通过 通孔实现。 但由于出入端子电流流向相反， 以及并联前的多层绕组电流流向相同， 会产生很 强的趋肤效应和邻近效应， 因此出入端子及 并联通孔处将会产生很大 的损耗， 限制 了变压 器整体效率的提升。 为减少交流并联通孔的使用， 缩短出入端子长度， 减小绕组损耗， 可以 采用先整流滤波、 后进行直 流并联的方式进行设计。 [0005]在现有传统平面变压器设计案例中， 绝大多数仍然采用与 普通变压器设计相同的 Ap法进行 设计， Ap表示磁芯有效截面积 Ae与磁芯窗口面积 Aw的乘积。 但是该方 法存在以下缺 陷： 为减小磁芯损耗， 磁芯内部磁通密度最大值Bmax在选取时会留有较大裕度， 取相 对较小 的值， 相应的Ap 值将会偏大， 不利于传统平面变压器功率密度的提高； 磁芯 窗口利用率Kw为 估值， 并不准确； 商用平面磁芯型号固定， 特定情况下选择的磁 芯型号Ap值与所设计Ap值偏 差较大， 造成Ap值裕度过高， 同样会降低传统平面变压器功率密度。 发明内容 [0006]针对现有技术的缺陷和改进需求， 本发明提供了一种平面变压器优化设计方法及 系统， 旨在解决现有平面变压器设计方法不利于平面变压器功率密度的提高的技 术问题。说　明　书 1/10 页 3 CN 114400136 A 3