用于三相50Hz/50 kW逆变器的电感器设计

SmartNetics是一款用于磁性器件（电感器和变压器）设计与分析的软件。SmartNetics特别适用于中功率（15kW~100kW）、高频（15kHz ~100kHz）功率转换器中使用的磁性元件设计。

我们的方法不是提供单一的“一刀切”解决方案，而是提供所有可能的设计方案，让用户获取所有可用信息；同时，我们还提供直观的图形界面，让用户能够轻松评估每个参数值的影响。

在软件的各个部分，用户可以选择仅输入最少数据并使用预定义配置，或手动调整每一个设计参数。通过这种方式，无论您是首次设计磁性器件，还是经验丰富的专家，都能设计出最适合自身需求的器件。

本教程旨在阐述磁性器件的完整设计流程，在此具体案例中我们将设计一款用于三相50 Hz、50 kW逆变器的电感器，其开关频率为30 kHz，采用自然对流冷却。

表 1 主要设计参数

教程篇幅较长，可以在文末留下你的微信号以获取本教程的PDF版本。

在SmartNetics中，设计流程分为5个步骤：

(1) 输入数据：输入设计所需的最少数据（电感器需输入电感值和电流；变压器需输入匝数比、初级电压和电流）。

(2) 配置：使用默认配置或修改设计流程中的任何细节。

(3) 设计：查找符合限制条件的所有可能参数组合，生成适用的器件方案，并从这些方案中选择任意数量的潜在候选方案。

(4) 选型：详细分析所选的候选方案，选出最优器件。

(5) 器件：以图形化方式查看所选器件的各项属性，生成报告或导出至第三方仿真软件。

本教程旨在指导用户完成这5个步骤，从定义输入信号到在第三方软件中对目标器件进行仿真和验证。默认情况下，SmartNetics启动时会激活第一步。用户可通过侧边菜单的5个按钮在步骤间切换，如图1所示。请注意，部分步骤需满足前置条件后方可使用，例如用户需先生成一些设计方案，才能进行选型操作。

图 1   侧边菜单

第一步是定义目标磁性器件，有两种选择：

可通过顶部开关选择要设计的器件。在本示例中，我们将设计一个电感器；选中后，仅需输入电感值和电流波形，其默认值将显示出来，如图2所示。

图 2 定义电感器

电感值在其对应的字段中定义。在本例中，由于我们要设计一个300µ的电感器，因此可以在对话框中输入0.0003（或300e-6），如图 3 所示：

图 3 电感值定义

用户可以使用预定义的波形形状之一（正弦波、三角波或矩形波）来定义电流波形，也可以使用通用波形——该波形可通过加载.csv文件，取自事先准备好的测量或仿真数据。在本例中，我们将设计三相逆变器的电感器，该电感器处理50 Hz 的正弦基波电流（均方根值为72.5A），并叠加有来自30kHz逆变器的高频纹波。

由于高频纹波随正弦周期变化，重现该波形的最简单方法是从仿真中获取波形。具体操作如下：在Current definition下拉菜单中选择File，然后点击 Load File以选择先前保存的信号文件（.csv格式）。加载后，数值将显示出来，且主频会自动提取，如图4所示。

图 4 加载电流波形

请注意，对于通过文件定义的波形，频率字段无法修改（编辑框变为灰色），因为该频率是从文件中的数值提取而来的。

定义所需的电感值和电流后，用户即可在下一步Configuration中对设计流程进行设置。

这一步可通过 侧边菜单的第二个按钮Configuration进入，分为 4 个部分：

默认情况下会选中Databases，但用户可以使用顶部的选项卡切换浏览各部分内容，如下图所示：

图 5 配置选项卡

通常情况下，默认配置可在许多应用中产生良好效果，但用户可自由利用任何先验知识以实现更佳结果。

在本案例中，作为示例的一部分，我们将对几个方面进行修改。

我们正在设计这个电感器，尽管存在高频纹波，但低频（50Hz）分量占主导地位。由于本设计中使用的电流峰值为102.5A，饱和可能成为一个大问题，甚至比损耗问题更严重。为涵盖所有可能的情况，我们不仅会使用饱和磁通密度约为0.4T的铁氧体材料，还会考虑饱和磁通密度约为1.5T的非晶态材料。

在本设计中，除了Ferroxcube公司的铁氧体材料3C94外，我们还会考虑 ELESA公司生产的一种非晶态材料。这两种材料均通过激活数据库中的 “Contemplated?”字段进行筛选，如图 6 所示。

图 6 磁芯材料选择

在一个50kW的三相转换器中，每个电感器承担三分之一的功率，约16.7kW。对于如此高的功率，我们仅选择数据库中可用的最大E型磁芯几何尺寸：E/100/60/28。该几何尺寸下有许多铁氧体材料可选，但由于我们同时考虑将非晶态材料用于设计（该材料仅提供C/U形状），因此我们也会将其纳入本设计。

在当前版本中，设计仅考虑 EE 形状的磁芯，但两个 U/C 磁芯并排使用可以组成E形磁芯，如图 7 所示。这可通过勾选 Generate E cores from Us来实现。

图 7 从 U 形磁芯生成 E 形磁芯

由于该电感器用于50kW的逆变器，因此本示例仅激活了一些大型磁芯。选定后，接下来的图中将显示要使用的数据库项目：

图 8 设计中选择的磁芯几何形状

为了减少高频导体损耗，并在需要并联使用多根导线时（由于所选磁芯尺寸较大）简化制造过程，仅选择了一些利兹线（如图9中的项目 7、11 和 14）。

在本示例中，其余均保留默认设置，但用户可自由配置导体材料、绝缘体、电线套管和连接器。

图 9 设计中选择的导体几何形状

下一步是配置适用于器件各部分的规则。在此环节，用户可以保持所有设置不变（这对许多设计而言已足够），也可以微调每个参数。共有4个部分需要配置。

每个配置参数均可访问（SmartNetics 附带的帮助文档中提供了全面的定义，可在工具的任何部分按F1键访问）。如果设计人员对设计输出有特定要求或预先了解，可以通过此配置仅允许已知符合预期结果的设计，从而减少仿真时间。作为示例，我们针对此特定设计修改了4个字段。

完整的配置如图10所示。其余选项已保留默认配置，但用户可自由利用任何先验知识或来自未来制造商的任何信息，使设计适应特定项目的特殊需求。

图 10 器件部件配置

在下一个选项卡Models中，用户可以选择用于计算设备各项参数（包括损耗、电感和温度）的模型。默认情况下，设计会使用最精确的模型，因此我们无需对其进行修改。如图11所示，唯一修改的字段是环境温度，考虑到电感器将在封闭外壳内运行，该温度提高至35℃。

图 11 模型配置

通过使用最精确的模型，用户可以获得最准确的结果，但代价是设计时间会增加。为减少仿真时间，可以使用更简单的模型。例如，如果用户知道磁芯损耗与设计无关，或常规的Steinmetz近似已足够，则可以为磁芯损耗（Core loss）选择该模型；或者，如果粗略估算已足够，则可以减少最高温度迭代次数（Maximum temperature iterations）。在本示例中，假设对预期结果无先验知识，因此使用高精度模型。

在最后一步中，用户可以设置设计的任意（或所有）参数。由于我们在此方面没有任何限制，因此将所有内容保持不变，包括所需电感与实际电感之间的最大允许差异为5%（“Maximum design deviation”=0.05）。

图 12 常规配置

设置完所有配置参数后，用户可以使用侧边菜单进入下一个可用步骤“设计”。

完成所有配置后，即可开始设计流程，系统将显示所有产生有效结果的参数组合。任何对设计有影响的数值变量都可以在右侧选择器中选中，用于对比分析。默认选择的变量考虑了通常对设计决策影响最大的值，因此我们将在本节中使用这些变量，如图13所示。

图 13 设计结果

了解所有有效解决方案之后，我们就可以筛选出对这个特定项目而言最有效的方案。为此，只需在任意图表中点击并拖动光标以选择所需的设计方案，这些设计方案将在其他所有图表中高亮显示，从而能够轻松同时对比多达8个不同的变量。

首先，考虑到仅采用自然对流散热，为确保转换器正常工作，我们需要筛选掉最高温度超过100℃的设计方案，如图14所示：

图 14 按温度筛选后的设计结果

图 14 集中呈现了 SmartNetics 方法的优势。从中可以看出，对于具有某一给定参数近似值的器件，可通过多种不同方式构建；并且在某些情形下，允许某个参数适度增加，能使其他所有方面的设计性能更为优异。

从右下角的图表能够看到，该器件可通过采用2个或3个堆叠磁芯的方式构建；而左下角的图表则显示，根据所选方案的不同，其成本可能存在显著差异。尽管损耗最低的器件（通过直接提供最高效器件的方法得出的方案）采用了 3 个堆叠磁芯，但允许损耗略有增加时，能够找到更易于实现的设计方案。为降低成本并简化可制造性，我们从之前的方案中仅选取使用2个堆叠磁芯的设计方案，具体如下所示。

图 15 按堆叠数量筛选后的设计结果

一旦从所有可能的组合中选出一个子集（最多包含 8 个变量），即可借助剩余设计的详细描述对待构建的设计进行精细筛选。这一操作可通过侧边菜单中新增的“选择”对话框完成。

在此对话框中，用户可以详细查看剩余器件的详细信息，以选择最适合当前项目需求的方案。每个参数的定义均可在提供的帮助文档中查阅（可通过按下F1键或点击始终位于左下角的相应按钮访问）。如图16所示，用户可以调整每个字段的宽度，甚至隐藏认为不重要的字段。

图 16 选择：可用器件

图中所示的器件是在先前步骤中选定的方案，因此所有器件均符合设定的限制条件。可以看到，每个选定的设计均使用相同的磁芯结构（2个堆叠的 2xCC0125磁芯）、相同的磁芯材料（ELESA 生产的非晶合金磁芯）以及相同的导线（2205股、直径0.071mm的利兹线）。

这些设计甚至具有非常相近的损耗（28.05至31.7W）、相近的最高温度（93.1℃至98.9℃）、相近的重量（7.0至7.5kg）等。而采用传统的设计方法，可能仅能得到其中一种器件，例如损耗最低的方案，这也体现了传统方法的缺点：在某一给定参数上非常相似的设计，可能因一个甚至对转换器无任何影响的细微差异而被排除，却未考虑这些设计可能在其他指标上带来的显著提升。

最大的差异在于穿过空气的磁通量长度l_g (m)，对于每个磁柱均有气隙的器件，该值为上下磁芯间距的两倍、匝数（N）以及每匝导线的并联方式（垂直导线和水平导线）。

尽管我们已针对最大磁感应强度设定了限制，见图10中的饱和因子（Saturation factor），但针对本项目的具体情况，我们了解到可能存在电流高于标称值的情形。

图 17 选择：可用器件的子集

每个选定的设计在每匝均使用4根并联导线。剩余器件之间的差异在于这4 根导线的并联方式：4×1、2×2和1×4（“垂直导线”ד水平导线”）。为简化可制造性，我们选择导线并联策略使堆叠更接近方形的方案：2×2。

确认所需的设计后，可通过点击下方的Select design按钮进行选定。完成选择后，器件的数据将复制显示在底部，如下图所示：

图 18 选择：单个器件

请注意，对于具有单个气隙的器件，穿过空气的磁通量总长度l_g(m)与气隙距离相同。在这个特定示例中，我们选择了标准气隙设置，即每个磁柱上都有气隙。这意味着l_g(m)的值相当于气隙的两倍，因为磁通量会穿过气隙两次（这一点也适用于分布式气隙）。

选择设计后， 侧边菜单上的最后一个“器件”对话框将启用，用户可以进入该流程的最后一步。

在最后一个对话框中，用户可以查看所选器件的详细信息，并将其导出到第三方工具进行验证。

用户可以在5个选项卡中切换浏览：

在第一个选项卡中，显示了器件的图形化表示，以及单个磁芯和导线的示意图及其主要尺寸。

图 19 几何结构可视化

在第二个选项卡中，用户可以看到器件不同部分的温度分布，如图20所示。显示的温度是针对器件中心计算的，包括：中心柱中心、侧柱中心、顶部和底部磁轭中心以及绕组中心（电感器为一个绕组，变压器为两个绕组）。

图 20 温度分布

尽管用于每次计算的模型是在第二步（“配置”）中选择的，但用户可以在此选项卡中查看其他可用模型本应提供的结果。通过这种方式，用户可以获取有助于当前设计和未来设计的重要信息。用于计算磁芯损耗、导体损耗和电感的所选模型的影响如图 21 所示。

图 21 模型影响

在磁芯损耗方面（如左上角所示），通过选用最精确的iGSE模型，能够避免因使用常规斯坦梅茨模型（SE）导致的损耗低估，或其泛化模型（GSE）针对此特定波形产生的损耗高估问题。

对于导体损耗（右上角），利兹线的选择是合理的，这一点可通过以下事实得以验证：趋肤效应和邻近效应损耗在总损耗中的影响极小（趋肤效应模型、Dowell 模型和 Villar 模型的计算结果与直流模型高度接近）。

最后，左下角的电感模型对比表明，当气隙值较高时（在此特定案例中为 1.75mm），边缘效应不容忽视，因此必须采用 Schwarz-Christofel 3D 模型等方法进行分析。

在第四个选项卡中，用户可以生成包含所需信息的高分辨率报告。用户可以选择报告中包含的字段：

选择所需选项后，用户可以按下Generate report按钮，在下方选择的路径中生成 PDF文件。

请注意，PDF 文件由 LaTeX 文件生成，需要安装MikTex才能编译。如果尚未安装，系统会提示用户安装（并通过相应的帮助部分引导操作）。

图 22 报告配置

SmartNetics中的每个设计均基于解析模型。通过这种方式，可在短时间内尝试数千种可能的组合。一旦选定某个特定设计，即可借助有限元工具进行更深入的分析。

在这方面，SmartNetics允许直接导出至Ansys-Maxwell和Ansys-IcePack进行器件仿真。为此，第一步是生成由Python脚本定义的模型，点击Generate Ansys model即可完成，且无需安装Ansys。

模型创建完成后，用户可在安装SmartNetics的计算机或任何拥有有效Ansys 许可证的其他计算机上自行启动Ansys并运行模型。也可通过点击Launch Ansys直接从当前界面启动Ansys（Ansys 为第三方软件，需提前安装）。

用户可通过Ansys-Maxwell进行电磁仿真，或通过Ansys-IcePack 进行温度仿真。在本示例中，我们将运行温度仿真，其中考虑了绝缘体、导线套管和线轴以提高精度。为减少仿真时间，X和Y区域的百分比降至 25%，并且利用对称性仅对器件的四分之一进行仿真（在Generate symmetry simplifications下选择 2.25D）。完整的仿真配置如图23所示。

图 23 Ansys仿真配置

用户点击Generate Ansys model，然后点击Launch Ansys后，仿真器会自动打开并构建几何结构，分配所需的材料、边界条件和干扰，如图24所示。

图 24 Aysys 2.25几何模型

模型生成后，用户可以点击 Analyze all开始仿真，如图25所示。

图 25 Ansys全分析按钮

由于这是一个非常复杂的模型，在Ansys-IcePack中，负Z边界被编辑为25%，并且对网格区域进行了编辑以实现良好的收敛性，如图26所示：

图 26 Ansys-IcePack网格配置

仿真结果显示在下图的YZ平面中。

图 27 Ansys-IcePack温度仿真结果

可以看出，考虑到仿真仅计算了每个部件的最高温度而非精确的温度分布，其结果与图20所示的估算值仍高度吻合。这体现了SmartNetics 的一大优势：首先借助解析方程，能够在极短时间内完成数千种磁性器件的设计，随后通过有限元软件对设计决策进行验证。有限元方法虽能实现极高精度，但需以增加时间和资源为代价（在本示例中，一次两小时的仿真需要47GB内存）。

在第三方软件中验证设计的另一种选择是使用有限元工具Altair-Flux进行仿真。配置选项如图28所示，与Ansys中的选项类似，但由于两个软件的差异性，存在细微变化。

与之前的步骤一样，用户可以点击Generate Flux model（无需安装 Flux）来生成一个包含模型完整描述的Python文件，其中包括几何结构、材料、主波形值等。Flux模型生成之后，用户可以在不同的计算机或安装了 SmartNetics 的计算机上运行仿真，只需点击Launch Flux（此步骤需要提前在下方选择的路径中安装 Flux）。

图 28 Flux仿真配置

由于Run automatically选项已勾选，因此一旦在Flux中构建好模型，仿真便会自动启动。仿真结果显示如图29所示，其中展示了磁场（B场）。整个磁芯的平均磁场与预测值相符（在图18中以B max (T)表示），该预测值是设备的估算参数之一。

图 29 Flux的仿真结果（B场）

Flux软件内Output框中显示了电感和电阻的计算值。如图30所示，电感值略低于预期（280µH，而预期为300µH）。

图 30 Flux仿真结果（H场）

如图所示，气隙周围的磁场（H场）会进入其旁边的导线，这也能解释部分差异。这体现了解析方法与有限元仿真相结合的优势：解析方法可用于选择最佳器件，而有限元仿真则能让用户深入了解器件细节，从而在制造前采取相应措施，例如通过增加线轴厚度来增大气隙与导线之间的距离。

本教程通过实例演示了如何使用SmartNetics进行电感器设计、导出和仿真的完整流程。从电流和电感的定义入手，用户能够对设计过程的各个环节进行精准把控。在完成所有可能的器件设计后，用户能轻松筛选出最符合需求的方案，并针对所选设计生成报告或导出至第三方有限元分析软件进行仿真。

与传统方法（仅提供一两项性能最优的器件）相比，本文提出的方法优势明显。借助这一策略，即便某器件在某一方面性能略低（可能被传统方法排除），但在其他方面表现更优，也能被识别出来，从而帮助用户选择最适合当前项目的方案。

选定项目的“最佳”器件（无论 “最佳” 如何定义）后，用户可将其导出至第三方软件进行验证。本教程通过两款有限元分析工具Ansys-IcePack和 Altair-Flux对结果进行了验证，两者均取得了良好效果，证明了该方法的有效性。

本教程仅作为示例，建议用户尝试不同配置，以找到最适合其特定项目的方案。请注意，由于软件可能经不同版本更新后界面选项和布局略有调整，本文所示图片可能与实际应用中的显示不完全一致。