摘 要

磁性元件是电力电子设备中最常见的元器件之一，其作用是在一般功率转换器设备中扮演着变压器、耦合电感和电感器等角色。然而由于磁性元件中存在着寄生电容等高频杂散参数，使其高频特性更加复杂，也将对滤波器的性能产生显著影响。因此为了设计更精确的EMI滤波器，对磁性元件杂散磁场高频特性的分析至关重要。

本文是通过利用仿真软件的方法来模拟实验，即使用MAXWELL 2D\3D软件对元件模型进行有限元分析，提取寄生电容和电感，研究高频寄生参数引起的绕组电流分布不均现象，并利用涡流场仿真研究高频条件下元件的近场杂散磁场分布机理。

本文的创新之处在于，不同于相关文献中基于实验测量的研究方法，本文利用MAXWELL 2D\3D有限元仿真软件来完成并分析元件的周围杂散磁场分布。不仅可以得到与实验相符合的结果，并且能建立更为精确的磁场分布模型，同时提高了磁场研究的可执行性；节约了实验成本；方便了研究的进行。

关键词：高频特性；电磁干扰；有限元；寄生电容

Abstract

Magnetic element is one of the most common components in power electronic equipment, its effect is in general power converter equipment plays a coupling of transformer, inductance and inductors. However, due to the magnetic components of the parasitic capacitance, high frequency stray parameters, such as the high frequency characteristic is more complex, will also have a significant impact on the performance of the filter. So in order to design more accurate EMI filter, the paper analyses the characteristics of the stray magnetic field of high frequency magnetic components is very important.

This article is through the method of using simulation software to simulate experiment, which USES MAXWELL 2 d / 3 d finite element analysis software for component model, extract parasitic capacitance and inductance, the high frequency parasitic parameters of winding current distribution caused by uneven phenomenon, and simulations using eddy current field under the condition of high frequency components of the near field stray magnetic field distribution mechanism.

The innovation of this article is different from the literature research methods, based on the experimental measurement in this paper, by using MAXWELL 2 d / 3 d finite element simulation software to finish and analyze stray magnetic field distribution around the element. Not only can be consistent with the experimental results, and to establish a more accurate model of magnetic field distribution at the same time improve the enforceability of magnetic field research; Saves the experiment cost; Convenient for research.

Key Words：High frequency feature；Electromagnetic interference；The finite element；Parasitic capacitance

目录

第1章 绪论 1

1.1 高频电磁耦合研究背景 1

1.2国内外研究现状 3

1.3 选题意义、主要研究内容 4

1.3.1选题意义 4

1.3.2 主要研究内容 4

第2章 环形电感高频特性分析 5

2.1 环形电感高频特性研究 5

2.2 Ansoft Maxwell 2D\3D 仿真软件介绍 6

2.2.1 2D仿真环境 6

2.2.2 3D仿真环境 7

2.3本章小结 7

第3章 Maxwell3D建模仿真 8

3.1研究的总体方法流程 8

3.2 仿真建模基本步骤流程 8

3.3详细仿真建模过程 9

3.3.1建立新项目和求解器类型的选择 9

3.3.2建模 9

3.3.3设置材料属性 10

3.3.4设置激励源和边界条件 11

3.3.5自适应网格剖分 12

3.4本章小结 12

第4章 基于有限元方法的高频杂散参数提取 13

4.1求解设置 13

4.1.1网格求解设置 13

4.1.2参数求解设置 13

4.2模型的参数提取 14

4.2.1电容矩阵参数的提取 14

4.2.2电感阻抗矩阵参数的提取 15

4.3本章小结 16

第5章 位移电流引起的高频磁场分布特性研究 17

5.1绕组电流分布特性建模分析 17

5.2 环形电感周围高频磁场分布特性研究 18

5.3本章小结 21

第6章 总结与展望 22

参考文献 23

致谢 24

附录A 25

附录B 26

附录C 27

第1章 绪论

1.1 高频电磁耦合研究背景

“位移电流”假想的出现为麦克斯韦理论的形成奠定了基础。这个假想的提出是即发现电磁感应后的又一伟大创举，它更加深入的展现出电生磁与磁生电之间的普遍真理。与此同时，这个伟大发现为麦克斯韦-安培方程组的形成提供了重要依据。麦克斯韦运用麦克斯韦-安培方程组，他进一步推衍出了电磁波的理论方程，总结出了电磁波中“位移电流”的存在是不可或缺的，之后他又根据方程组推导出了一个统一的理论，这个理论是磁学、电学和光学的有机结合体。麦克斯韦的创造性发现对未来的光电磁的发展具有里程碑意义，为此他在物理学术界被称为电磁学之父。与此同时，他详细的阐述了导体中的电流与“位移电流”之间的共性和不同，这个为安培环路定理和静电流高斯定理的提出带来重要理论基础^[1]。

“位移电流”与导体中的电流不相同，它不是实际的电流，它是电流的一种特殊表达形式。它是麦克斯韦为了解决实际研究中的问题，以假说的方式提出并运用到研究中，后来又通过大量的科学实验来验证的。1861年，麦克斯韦对电磁感应现象作出大量的分析，即周围的磁场变化会产生感生电动势，他提出了一个具有里程碑意义的设想：既使磁场变化的周围不存在导体回路，随着磁场的变化，其周围必然也会产生一种感应电场，即电磁感应的产生并不需要导体。在此之后他第一次提出了“位移电流”的假设，认为法拉第电磁感应定律和安培环路定理只有引入“位移电流”这一种概念，才能解释之前出现的种种疑问，使它们得以完美。1862年，他发表了著作“论物理的力线”，在其中进一步更深入的论述了”位移电流”这个当时人们不为知晓的概念，并使这个概念深入人心。在这个概念发表之前，人们讨论通电导体周围产生感应磁场时，只指代导体中的传导电流，而现在却并不如此。根据麦克斯韦研究发现：在一个电容器的两端加一个周期性变化的交变电压源，由于电介质为不良导体，其内部不会产生传导电流，但电介质中却存在着感应磁场。他把在动态电场作用下电容电介质内和载流导体内周围磁场分布作了详细的比较，提出了在电介质周围加动态电场，电介质内也会存在一种特殊的“电流”即“位移电流”，这样的“电流”同样能产生类似导体中的电磁效应。他还推导出：载流导体上只要存在电动力的作用，就会生成传导电流，而当它的作用对象为电容中的不良导体电介质时，电介质内的分子在电动力的作用下会发生极化反应，即电容器夹板的一端带负电荷，而另一端则带正电荷。然而电介质的极化状态会随着动态电场的不断改变而产生改变，它的不断改变对于整个电介质产生了一定的影响。由此可以得出所谓的”位移电流”实质就是不断变化的电场引起电荷在一定方向上总的位移不断变化，因此我们可以得出“位移电流”的大小同动态电场随时间的变化率成正比^[2-4]。另一个重要的发现是电容电介质中“位移电流”同样可以激发出电磁场。