纳米晶和铁氧体交错叠压的复合磁芯结构及其优化方法

本发明涉及高频变压器磁芯，尤其是涉及一种纳米晶和铁氧体交错叠压的复合磁芯结构及其优化方法。

背景技术：

1、近年来，双向隔离型dc-dc变换器正朝着高频化、小型化、大功率化的方向发展。高频变压器作为dc-dc变换器的关键部件，承担着电压转换、能量传输和电气隔离的功能，在智能电网、新能源并网等领域受到广泛关注。特别是以sic、gan为主的新型宽禁带功率器件的快速发展，大幅度提高了dc-dc变换器的工作频率和功率等级，变换器中磁性元件的低功率密度和高频损耗已经成为限制dc-dc变换器小型化的关键因素。

2、隔离型dc-dc变换器的功率密度和效率很大程度上取决于高频变压器，变压器的尺寸是变换器中的重要尺寸贡献者，提高开关频率可有效降低变压器中磁芯的体积和重量，提高变换器的功率密度。文献"n.kimura,t.morizane,i.iyoda,k.nakao andt.yokoyama,"application of solid-state transformer for hvdc transmission fromoffshore windfarm,"2018 7th international conference on renewable energyresearch and applications(icrera),paris,france,2018,pp.902-907."研究发现在相同功率下，50khz的变压器大小的大小仅是50hz变压器大小的百分之一。但是随着工作频率、容量的提高以及变压器体积的减小，对磁芯材料提出更高的要求。因此为实现紧凑、高效和经济的变换器，对高频变压器中磁芯的优化设计非常有必要。

3、目前，常用在高频变压器磁芯的软磁材料包括铁氧体、非晶和纳米晶合金材料等。铁氧体磁芯由于其低损耗和高电阻率的特性而广泛用于高频变压器磁芯。在100khz下损耗密度只有硅钢片的1/30；然而铁氧体的饱和磁通密度较低，通常只有0.3-0.5t，在磁能密度要求较高和大功率领域应用受限。在中低频和大功率应用场合，非晶和纳米晶合金材料有着更高的饱和磁通密度和居里温度等优异的磁性能；但作为金属合金材料电阻率不高，在高频激励下涡流损耗较高，难以应用在高频场合。对于单一材料的磁芯，同时增大磁芯饱和磁通密度和减小磁芯损耗是困难的。采用碎化处理的柔性复合纳米晶材料，在保留高饱和磁通密度时，降低了磁芯的高频涡流损耗；但是由于碎化晶粒的加入，导致了磁滞损耗的增加和磁芯磁导率的降低，在高频变压器中很少应用。为了提升整体磁芯的饱和磁通密度，研究人员提出了新的磁芯设计方法。

4、由不同材料层叠或拼接而成的复合材料可以综合发挥不同材料优异的性能，实现综合性能最优。文献"kobayashi,chie,kurita,naoyuki.,"demonstration of lossreduction effect of 66kv-classed 30mva three phase hybrid-core transformer bytrial manufacture."electrical engineering in japan,2021,vol.214(1):26-34"提出一种由非晶磁芯和硅钢片混合制成的复合磁芯，该磁芯结构同时具有非晶合金材料的低铁损和硅钢的高机械强度及高饱和磁通密度的优点，相比于非晶合金磁芯，其饱和磁通密度提高10％；且相比于传统硅钢磁芯，铁损降低62％。但上述文献中并没有给出具体磁芯尺寸的配置方式，缺乏理论指导。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有高频变压器技术存在的缺陷而提供一种纳米晶和铁氧体交错叠压的复合磁芯结构及其优化方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、作为本发明的第一方面，提供一种纳米晶和铁氧体交错叠压的复合磁芯结构，所述复合磁芯由纳米晶薄膜和铁氧体薄片叠压构成，由若干层纳米晶薄膜叠压成设定厚度的纳米晶；将叠压成设定厚度的纳米晶和薄片铁氧体交错叠压，每相邻的铁氧体和纳米晶组合构成一个叠压单元，多层叠压单元叠加构成复合磁芯。

4、作为本发明的第二方面，提供一种如上所述纳米晶和铁氧体交错叠压的复合磁芯结构的优化方法，所述方法包括以下步骤：

5、基于磁路等效法构建立复合磁芯均匀化模型，并得到复合磁芯的等效磁导率；

6、基于复合磁芯的等效磁导率计算复合磁芯的磁场强度，并进一步得到不同厚度配比下复合磁芯内部磁通密度分布；

7、基于不同厚度配比下复合磁芯内部磁通密度分布，建立考虑纳米晶和铁氧体不同厚度配比的磁芯损耗模型和功率密度模型；

8、基于磁芯损耗模型和功率密度模型，以磁芯损耗和功率密度为优化目标，纳米晶厚度和磁芯铁氧体厚度为优化变量，对复合磁芯结构进行多目标多变量的优化得到最终优化结果。

9、作为优选技术方法，所述基于磁路等效法构建立复合磁芯均匀化模型，得到复合磁芯的等效磁导率具体为：

10、建立单个叠压单元的匀质化模型；

11、基于纳米晶和铁氧体交错叠压的复合磁芯结构，根据磁路欧姆定律，考虑各磁支路的磁路长度和宽度建立复合磁芯的磁路模型，并得到各磁路的磁阻；

12、由磁导率和磁阻的关系得到复合磁芯整体的磁导率。

13、作为优选技术方法，所述单个叠压单元的匀质化模型具体为：将铁氧体磁阻rfe和纳米晶磁阻rna并联后得到叠压单元的等效磁阻req：

14、

15、式中：δh为磁路长度，δl为磁芯截面宽度，μfe、μna为铁氧体和纳米晶相对磁导率，wfe、wna为纳米晶、铁氧体磁芯厚度。

16、作为优选技术方法，所述复合磁芯的等效磁导率具体为：

17、

18、式中：lcore为磁路长度，l0为气隙宽度。

19、作为优选技术方法，所述的不同厚度配比下复合磁芯内部磁通密度分布表示为：

20、

21、其中：

22、

23、式中：bfe、bna分别表示纳米晶与铁氧体的磁感应强度，h为复合磁芯的磁场强度，bm为复合磁芯的磁感应强度，μeq为复合磁芯整体的磁导率。

24、作为优选技术方法，所述复合磁芯中磁芯损耗ploss包括铁氧体损耗pfe和纳米晶损耗pna两部分，所述的复合磁芯的损耗模型基于修正斯坦梅兹方程，表示为：

25、

26、其中：

27、

28、式中：k1，α1，β1为铁氧体损耗系数；k2，α2，β2为纳米晶损耗系数；f为变压器正弦激励频率，bm为磁通密度幅值。

29、作为优选技术方法，所述复合磁芯的功率密度模型具体表示为：

30、

31、其中，复合磁芯的重量mcore随两种材料配比而变化，具体表示为：

32、

33、式中：pn为变压器额定功率，wfe、wna为纳米晶、铁氧体磁芯厚度，ρna、ρfe为纳米晶密度和铁氧体密度，ac为磁芯有效截面积。

34、作为优选技术方法，所述对复合磁芯结构进行多目标多变量优化的步骤具体包括：

35、以薄片铁氧体厚度wfe、薄膜纳米晶厚度wna为优化变量，磁芯重量作为第一目标函数f1(x)，磁芯损耗作为第二目标函数f2(x)构建优化模型表示为：

36、

37、作为优选技术方法，所述优化模型优化的约束条件包括磁芯饱和约束，以确保复合磁芯中铁氧体和纳米晶均不会饱和。

38、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

39、1)本发明综合利用了纳米晶的高饱和磁通特性和铁氧体的低损耗特性，综合考虑两种材料的优势，构建了一种由两种材料交错叠压而成的复合磁芯结构，满足高频变压器对高饱和磁通密度与低损耗的要求。

40、2)本发明还提供一种对复合磁芯两种材料的厚度配比进行优化的方法，以复合磁芯的损耗和功率密度为优化目标，以薄膜纳米晶厚度和薄片铁氧体厚度为优化变量，利用遗传算法实现同时具有高饱和磁通密度低损耗特性的复合磁芯。综合考虑变压器损耗、重量和体积等众多因素，最终得到的复合磁芯变压器具有高饱和磁通密度和低磁芯损耗，满足高频变压器的高频化、小型化、大功率化的需求。