基于分段等效電路法的Litz線繞組損耗求解

徐祥旺 陳 為

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

基于分段等效電路法的Litz線繞組損耗求解

徐祥旺 陳 為

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

為了減小磁性元件的繞組損耗，Litz線備受設計者們的關注，但其龐大的單線股數和復雜的絞制方式使得Litz線的繞組損耗難以計算和仿真。本文從Litz線的絞制方式出發，分析不同絞制方式下Litz線的電流分配特性，并針對業界更普遍使用的同心絞Litz線進行細致分析，提出分段并繞平行線可近似替代同心絞Litz線的想法，并以此為依據使用分段等效電路法求解同心絞Litz線的單線電流，然后將求得的單線電流值重新賦值到2D并繞平行線的仿真模型中進行仿真，即可求解同心絞Litz線的繞組損耗，并在最后驗證了分段等效電路法求解同心絞Litz線繞組損耗的有效性和準確性。

繞組損耗；Litz線；電磁場仿真；分段等效電路法

電力電子技術作為高效的功率變換技術，已然成為了絕大多數用電設備不可或缺的電源設計依據。而作為其關鍵器件的磁性元件，在功率變換電路中擔任著能量存儲、傳遞和過濾等職能。隨著電力電子技術不斷地高頻化和高功率密度化的發展，磁性元件的損耗特性成為制約其更新換代的重要因素之一，其中磁性元件的繞組損耗占據著磁件總損耗很大的一部分。

磁性元件的繞組損耗基本上都是由于渦流效應引起的。普通的實心圓導線因為要承載足夠高的電流所以其線徑必須要足夠大，但由于高頻交流電流渦流效應的作用將產生遠大于直流損耗的渦流損耗，因此為了減小渦流效應帶來的損耗，設計者們采用多股較細的單線并繞代替實心圓導線，同時為了避免多股并繞單線之間的內鄰近效應所額外帶來的渦流損耗，將多股單線進行絞制處理，這就是Litz線的來源。

Litz線有效地降低了渦流效應引起的損耗，但其龐大的單線股數和復雜的絞制方式也使得Litz線的研究出現層層瓶頸，故而Litz線的繞組損耗變得難以計算和仿真，這嚴重阻礙了Litz線的使用和發展。現今國內外對Litz的研究多不勝舉，但大多數都比較片面且包含很多局限性，如文獻[1]從Litz線焊點出發，解釋其與多股并繞平行線具有相似電流分布的原因，但焊點的影響實際上很小可忽略不計；文獻[2]使用等效復數磁導率的方案計算Litz線損耗，但僅限用于復合絞Litz線，而不適用于同心絞Litz線。還有很多純粹從理論計算出發總結Litz線繞組損耗算法的想法[3-4]，但都有諸多的局限性。

這些算法和思想并沒有從根源上解決Litz線繞組損耗的問題。本文將從Litz線的絞制方式出發，分析不同絞制方式Litz線的電流分配特性，并著重針對同心絞Litz線進行研究，然后通過分析分段等效電路法的原理以闡述其對于解決Litz線繞組損耗的可能性，并在最后通過對比三維Litz線仿真和分段等效電路法求Litz線繞組損耗的方案驗證了分段等效電路法的準確性和有效性。

1 Litz線的絞制類型與其電流分配特性

根據絞制方式的不同，Litz線大體可分為復合絞Litz線和同心絞Litz線[5]。復合絞Litz線是最理想的Litz線，它先將每根Litz線的所有單線分成多個小組，每組包含少數的單線，然后先將每個小組的單線絞繞，再將這些絞好的導線再重新分組絞繞，經過不斷地分組絞繞，最后絞為一個整體即為一根Litz線，如圖1所示。由于每組內所有單線已進行絞繞，所以每組內的單線之間是等價的，它們之間幾乎不存在內鄰近效應，也就是說其阻抗特性一致，而絞好的導線再次分組絞繞，保證了每股單線在同一根Litz線內都是等價的，它們的阻抗特性都保持一致，這使得同一根Litz線內所有單線都被分配相同的電流，最大限度地減小了Litz線的繞組損耗。

圖1 復合絞Litz線和同心絞Litz線

復合絞Litz線對繞組損耗的優化效果毋庸置疑，但其復雜的絞制過程和導線消耗使其成本增高到了一般設計者無法承受的地步，因此寧愿犧牲繞組損耗以換取低成本，所以業界中使用得更普遍的是成本低得多的同心絞Litz線。與復合絞Litz線不同，同心絞Litz線只要經過一次整體的絞制即可，這也使得同心絞Litz線呈現同心圓的分層現象，如圖1所示。這種絞制方式最終導致的結果是，處在同一層的單線互相絞繞，而不同層的單線則沒有絞繞，所以同心絞Litz線只有同層的單線之間保持阻抗一致，使其電流分配一致，而不同層間阻抗隨頻率、外磁場等因素變化，電流分配不一致。相較于多股并繞平行線和實心圓導線，同心絞Litz線在很大程度上減小了繞組損耗，但并沒有復合絞Litz線的優化程度高，但由于其較低的成本，綜合考慮下仍然成為設計者們的首選。

為了驗證以上關于不同絞制方式Litz線電流分配特性的分析，取股數為16的復合絞Litz線、同心絞Litz線和多股并繞平行線，使用電磁場仿真軟件Ansoft建立相應的繞組模型，將它們置于中柱磁心的氣隙附近進行仿真，對每股單線編號并記錄其電流值。圖2給出了不同導線的3D仿真模型，圖3給出了不同導線的單線編號和500kHz頻率下的相應電流值，由圖3易知，復合絞Litz線的單線電流幾乎一致，同心絞Litz線的同層單線電流也幾乎一致，而不同層的電流不同，符合以上分析。

圖2 不同導線帶磁心和氣隙的3D仿真模型

圖3 不同導線的單線編號和相應電流值

2 分段等效電路法求電流分配的原理分析

無論是復合絞Litz線還是同心絞Litz線，都有較為復雜的絞制方式和場分布特性，因此很難從理論算法的角度出發歸納其理論計算模型。所以相對來說使用電磁場仿真更加準確可靠，但其龐大的單線股數和復雜的絞制方式使得3D仿真模型難以建立和剖分，更別說進行仿真了。然而若想借用2D仿真又不得不考慮如何解決絞制這一2D模型無法實現的過程。對于2D模型，如果導線是多股并繞平行線，由于未進行絞制，所以直接設置并聯電流條件即可。而對于復合絞Litz線，因為其每股單線的阻抗特性相等，所以只要設置均分電流條件即可，即每股單線的電流都為Iall/N，Iall為每根Litz線的總電流，N為總股數。當然，因為Litz線經過絞制，長度會比并繞平行線更長，所以2D仿真所得的繞組損耗仿真結果還要乘上一個長度系數。然而，對于同心絞Litz線，以上的電流條件均不適用，也就是說無法單純地使用電流條件來描述絞制過程，必須先通過其他方案求得每股單線的電流才能進行仿真。

若要求并繞平行線每股單線的電流值，可以使用等效電路法，即從電路的角度出發，將每股單線等效為一個電感，并且單線之間的相互耦合用互感描述，如圖4所示。通過這些單線的阻抗參數和電流值即可求得每股單線的總電壓，如式（1）所示，而這些單線實際上是呈并聯關系的所以總電壓相等，可得式（2）所示的方程組，其中Iall為并繞平行線的總電流，由式（1）和式（2）即可求得每股單線的電流值。

圖4 并繞平行線的等效電路模型

同心絞Litz線的絞制過程實際上是每一同心層內單線呈圓筒狀的絞繞過程，其任意位置的橫截面圖并未發生很大變化，只有同層的單線間在不斷地互換位置，所以每股單線可以簡化為由多段同層但不同位置的并繞平行線相互連接而成，而且其分段數即為該層單線的個數。因此，可以用分段并繞平行線來近似替代同心絞Litz線，每股單線的阻抗即為該單線所在同心層的所有并繞平行線阻抗的平均值，相應的每股單線的總電壓即為同心層內所有并繞平行線總電壓的平均值。顯然，同層單線的阻抗相等，故其分配的電流值也相等，而不同層的阻抗隨頻率和外磁場等因素變化，電流值也不同，完全符合同心絞Litz線的電流分配特性。

將式（1）中并繞平行線的阻抗矩陣簡化為式（3），則可得圖5所示的同心絞Litz線的等效電路模型，ΣU含義如式（4）所示，對比并繞平行線和同心絞Litz的等效電路模型，Ui表示第i位置的并繞平行線的總電壓，Ui′表示第i位置的同心絞Litz線的總電壓，同樣的Ii表示第i位置的并繞平行線電流，Ii′表示第i位置的同心絞Litz線電流，Nk為第k層的單線股數，N為總股數，C為其層數。

圖5 同心絞Litz線的等效電路模型

因為同層單線的總電壓和電流都相等，所以可用ULi表示第i層同心絞Litz線的單線總電壓，同樣用ILi表示第i層同心絞Litz線的單線電流，即如式（5）和式（6），則同心絞Litz線的阻抗矩陣如式（7），因為同層單線的阻抗、電流和電壓都相等，所以式（7）可以簡化為式（8），即將N*N的矩陣簡化為C*C。同樣的，同心絞Litz線的所有單線實際上是呈并聯關系的所以單線總電壓也相等，可得式（9），由式（9）、式（8）和式（3），即可求得同心絞Litz線所有單線的電流分配值。該方法可以簡稱為分段等效電路法。

由2D并繞平行線模型仿真出單線間的耦合阻抗Z陣即式（3），然后將其代入到式（8）和式（9）中求得同心絞Litz線每層單線的電流值，再將電流值重新賦值到2D并繞平行線模型中進行繞組損耗仿真，其結果即為同心絞Litz線的繞組損耗。以上討論的皆為單匝Litz線的單線電流計算公式，同樣可以很容易地擴展到多匝Litz線的電流計算公式中，但受篇幅限制，這里不再贅述。

3 仿真驗證

為了驗證分段等效電路法的準確性，本文以3D同心絞Litz模型的繞組損耗仿真為基準，分別對2D并繞平行線模型設置均分電流、并聯電流和由分段等效電路法求得的電流，并進行繞組損耗仿真，Litz線的股數為16，分兩層，里外層單線數分別為5和11。圖6給出了同心絞Litz線的3D模型和并繞平行線的2D模型。圖7給出了500kHz下3D同心絞Litz線模型的各單線電流仿真結果和用分段電流法所求得的結果，橫坐標為單線序號，其中分段電流法所需要的Z陣即由并繞平行線2D模型仿真得到。圖8給出了各模型的繞組損耗和以3D模型繞組損耗仿真結果為基準的相對誤差圖，橫坐標為頻率，總激勵電流幅值為1A。

圖6 3D同心絞Litz線模型和2D并繞平行線模型

圖7 各模型的單線電流值

圖8 各模型繞組損耗和相對誤差圖

由圖7易知，由分段等效電路法求得的單線電流值與3D同心絞Litz線模型的仿真結果幾乎相等。而由圖8易得，使用均分電流和并聯電流的2D并繞平行線仿真作為Litz線的仿真結果都會帶來很大的誤差，而使用分段等效電路法所求得電流的繞組損耗仿真的誤差都在5%以內，足以滿足工程的需求，由此可證明分段等效電路法的準確性和有效性。

4 結論

本文通過對不同絞制方式下Litz線的電流分配特性進行研究，提出并細致分析了分段等效電路法的原理和其對于同心絞Litz線繞組損耗計算的有效性，并在最后進行驗證，得出結論如下：

1）復合絞Litz線每股單線的阻抗特性幾乎一致，所以每股單線的電流值基本相同，可直接通過對并繞平行線設置均分電流條件進行2D模型仿真。

2）同心絞Litz線呈同心圓的分層現象，同層單線阻抗特性幾乎一致，不同層則不同，同層單線電流基本相同而不同層受頻率和外磁場等因素影響，因此無法通過簡單的電流條件設置以進行仿真。

3）對于同心絞Litz線可以先通過分段等效電路法求得單線電流，然后賦值給并繞平行線，即可進行2D模型仿真解決同心絞Litz線繞組損耗無法求解的問題，該方案已通過仿真實驗驗證，與3D同心絞Litz線繞組損耗仿真相比誤差在5%以內，具有足夠高的精度。

[1] A Ro?kopf EB, Joffe C. Influence of inner skin-and proximity effects on conduction in Litz wires[J]. in IEEE Transactions on Power Electronics. Oct, 2014, 29(10): 5454-5461.

[2] Sullivan R. An equivalent complex permeability model for Litz-wire windings[C]//Industry Applications Conference, 3, 2005: 2229-2235.

[3] Eit M Al, Bouillault F, Marchand C, et al. 2-D Reduced Model for Eddy Currents Calculation in Litz Wire and Its Application for Switched Reluctance Machine[J]. in IEEE Transactions on Magnetics, 2016, 52(3): 1-4.

[4] Bartoli M, Noferi N. Modeling litz-wire winding losses in high-frequency power inductors[J]. IEEE PESC'96, 1996, 27(2): 1690-1696.

[5] 周自云. 偏轉線圈用利茲(Litz)線的工藝研究[C]//中國電器工業協會電線電纜分會2005年繞組行業“十一?五”發展研討會, 2005: 100-106.

Solution of Litz Wire Winding Loss based on Segmented Equivalent Circuit Method

Xu Xiangwang Chen Wei
(College of Electrical Engineering and Automatic, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

In order to reduce the winding losses of magnetic components, Litz wires brought designers into sharp focus. But its large strands and complex twisting mode makes the winding loss of Litz wires difficult to calculate and simulate. This paper from twisting mode to analysis the current assignment characteristics of different twisting mode of Litz wires, and particularly analysis the concentric twisted Litz wires which is more widespread used in the industry. The thought is proposed that concentric twisted Litz wires can be approximately replaced by segmented stranded parallel wires, and the single wire current of concentric twisted Litz wires can be solved by using the segmented equivalent circuit method based on this thought. Reassignment the single wire current value to 2D stranded parallel wires model for simulation, and then the winding loss of concentric twisted Litz wires can be solved. Finally, it is proved that the segmented equivalent circuit method is effective and accurate for solving the concentric twisted Litz wire winding losses.

winding loss; Litz wires; simulation of electromagnetic field; segmented equivalent circuit method

徐祥旺（1991-），男，福建南平人，碩士研究生，研究方向：電力電子高頻磁技術。