在CST Studio Suite中使用Litz Wire功能精确建模和模拟利兹线

利兹线有助于减少在高达 MHz 范围的较高频率下由于集肤效应和邻近效应而导致的损耗。利兹导体由多股绝缘铜线编织/绞合而成。我们推出了一个新的 CST Studio Suite 功能，用于精确建模和模拟利兹线。

介绍

在低频 （LF） 应用中，利兹线作为导体绕组的使用正在增长，因为它具有在高频范围内承载交流电 （AC） 的多重优势，最高可达 MHz 范围，其中固体导体中的集肤效应和邻近效应成为一个重要问题。利兹线导体由多股绝缘铜线以优化的方式编织/绞合而成，因此流动的电流是均匀的，并减少了损耗。在 LF 中，利兹线主要用于变压器和电感器。它们的用途现在已扩展到更广泛的应用，例如电机中的绕组和一般的线圈。

利兹线建模很重要，这样才能将集肤和邻近效应引起的损耗计算到所需的精度水平。然而，在几何建模和仿真时间方面，表示利兹线导体中的每根股线可能非常繁重，因此需要一种替代方法。在 CST Studio Suite 中，使用有效的导线方法来表示导体的股线，从而缩短了建模和仿真时间。

在本文中，我们重点介绍了使用 CST Studio Suite LF 求解器对利兹线的仿真，其中我们添加了一项功能来简化建模。我们通过一个例子来演示利兹线的结果。

利兹线中的物理效果

当交流电在实心线中以高频流动时，电流会在导体内重新分配。电流密度在导体外表面附近最大，并朝导体内轴呈指数下降。这种重新分布就是集肤效应。集肤深度δ的表达式如 （1） 所示，其效果如图 1 所示。图 1 中的外部红色横截面承载最高的电流幅度，而中央蓝色截面承载最低的电流幅度，这是由于电流在导体的整个横截面内重新分配造成的。因此，集肤深度 δ 是电流密度为表面值 1/e 的深度。

图 1.交流电载波导体中的集肤效应

由于电流的横截面积减小，这会导致导体电阻增加，从而导致热损失增加。在这种情况下使用利兹线有助于减轻皮肤效应，但不能消除它;因此必须考虑它。

使用利兹线时要考虑的另一个重要问题是由于堆积线的紧密性而导致的邻近效应。邻近效应还会导致电流在导体内重新分布，从而增加交流电阻，从而导致热损失增加。图 2 显示了邻近效应如何影响五匝线圈中的电流分布。图 2 （a） 显示了整个线圈，图 2 （b） 显示了横截面中的电流分布。使用适当的绞距和绞合次数将线束绞合成束有助于减少由于邻近效应造成的损失，但不能消除它们。因此，我们也必须考虑它们。

图 2.交流承载线圈中的邻近效应 （a） 五匝全线圈，（b） 在 YZ 平面上切割

在 CST Studio Suite 中对利兹线进行建模

前面讨论的损耗可以在 CST Studio Suite 中通过对利兹线进行有效建模来计算。我们添加了一项新功能，允许用户获得良好的集肤和邻近损耗近似值，而无需对利兹线的每一股进行建模。

可以使用 CST Studio Suite 中的线圈特征对导体进行建模，例如线圈段，其中横截面轮廓和开放路径用于创建开放线圈段。此功能将在未来版本中扩展到闭环线圈。

此功能允许您设置利兹线的各种参数，如电流、电导率、股数、股径和线材的长度延伸系数（考虑股线的绞合和编织长度）。与建模线圈的几何形状相关的其他参数是使用线圈的几何尺寸和前面列出的参数自动计算的。这些因素包括填充因子、（有效）导体面积、线圈体积、线圈横截面面积、线圈的几何长度和直流电阻。

正确设置模型后，必须使用 CST Studio Suite 中的 LF 频域 MQS 求解器进行求解。为计算损失的模型设置感兴趣的频率。

示例设置

本节使用一个包裹在铁氧体 C 磁芯腿上的利兹线导体的简单示例，如图 3 所示。

图 3.带利兹线导体的铁氧体 C 型磁芯示例

铁氧体磁芯的相对磁导率设置为 200，它具有色散磁特性，如图 4 所示。这允许计算 C 核中与频率相关的磁损耗，这里不再更详细地讨论，因为它超出了本文的范围。

图 4.铁氧体 C 磁芯中磁色散的 Debye一阶模型

线圈是使用 'Coil Segment' 选项定义的，因此默认情况下是一个开放的线圈回路。要在线圈中获得无发散电流，必须使用完美电导体 （PEC） 或使用模型的边界来闭合线圈。在这种情况下，PEC 用作闭合回路的材料，如图 3 所示。这不会影响模型中的损耗，但稍后可以将 PEC 材料更改为更真实的材料，以表示两端之间的电气连接器。创建线圈后，可以在对话框中定义属性，如图 5 所示。表1提供了本例中使用的利兹线线圈的更多详细信息。

图 5.利兹线设置（对话框）

表 1.利兹线特性

此处指定的电流振幅可以是 RMS 或峰值，具体取决于在求解器窗口中选择的内容。

一般来说，利兹导体的股数可以从十几根到几千根不等。必须给出不带绝缘厚度的绞线直径，并且软件根据线圈几何形状的横截面积计算填充系数和导体面积。通常，选择的最大绞线直径是在最高工作频率下使用的线材集肤深度的两倍。然而，这并不总是足以消除皮肤损失，因为实际电源通常包含更高的噪声谐波，具体取决于应用。长度延伸是利兹线的实际总长度（绞合前）与测得的最终长度（绞合后）的比值。此方法假设电流在束级别是均匀的。大多数工业绕制的利兹线的绞合和编织方式都以优化的方式进行绞合和编织，以使电流尽可能均匀。

该模型在 50 Hz 至 200 MHz 的频率范围内求解，每个频率点的结果都可以在导航树中找到，如图 6（a） 所示。感兴趣的主要结果，皮肤和邻近损失，可以在 1D Results/LF Solver/Losses 下找到。在这个例子中，铁氧体 C 磁芯中的损耗也是可用的。图 6（b）、6（c） 和 6（d） 分别显示了皮肤、接近度和总损失。

图 6 （a） 导航树的结果，（b） 皮肤损失，（c） 邻近度损失，（d） 总损失

在图 6（b） 中，我们看到集肤损耗在整个频率范围内相对恒定，除了在 100 MHz 附近略有下降。当选择小于 2δ（集肤深度的两倍）的绞线直径（表 1）时，预计会保持相对恒定的值，直到 100 MHz 的频率。

在图 6（c） 中，我们看到接近损耗随着频率的增加而增加，正如预期的那样。与集肤效应相比，邻近损耗的大小很大，正如预期的那样，由于所选的股线直径。

图 6（d） 显示了总损耗，包括对数刻度的铁氧体 C 磁芯损耗，因此可以看到整个宽带范围的值。图例显示 50 Hz 时每个损失的值，这是最低的模拟频率。斜率以铁氧体损耗为主，但交流电流损耗的影响仍然很大，尤其是邻近损耗。

图 7（a） 显示了整个模型中 100 MHz 时的磁损耗密度，而图 7（b） 仅显示了线圈中的损耗密度，主要由邻近效应主导。尽管铁氧体磁芯中的损耗要高得多，但由于横截面积较小，线圈中的损耗密度要高得多。

图 7.100 MHz 时的磁损耗密度 （W/m3），（a） 完整模型，（b） 具有主要接近损耗的线圈

（二）

非利兹线线圈的损耗比较

如果在 CST Studio Suite 中使用线圈段对同一模型进行没有利兹线的评估，则比较损耗是不合理的，因为不会考虑类似尺寸导线的集肤效应和邻近效应。该软件只会计算导体的欧姆直流损耗，因此不会提供同类比较。这也表明非利兹线导体的交流损耗比利兹线小，这是不正确的。

结论

利兹线在低频 （LF） 交流应用的更高频谱中越来越受欢迎，以减少功率损耗。本文简要概述了 CST Studio Suite 中新的利兹线功能，旨在更有效地计算集肤和邻近损耗，这些损耗会随着频率的增加而变得显著。概述了这些应用中出现的损耗类型，并给出了在 CST Studio Suite 中使用利兹线设置模型的简单示例。讨论了结果，证明了计算导体中交流损耗的重要性。