Litz Wire Simulation
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以往如果想要精確的計算Litz Wire,模擬工程師必須如圖1-1所示,把線用3D模型完整畫出。但這樣的模擬會需要非常細小的網格以及極度重度的計算資源。而且當股數過多的時候,計算幾乎是不划算的選擇。對於設計來說可謂耗時耗力,當股數過多更是不切實際。
在Maxwell的近幾年版本中,已經可以透過後處理的等效計算來做Litz Wire損耗估計。如圖1-2。如前面的介紹,Maxwell不能模擬每種類型的Litz Wire,這是因為Maxwell假設每根股線都是連續且完美的調換,因此每個股線都佔據線束的橫面區域,且假定每條平行Litz Wire承載相同電流並具相同損耗。但某些Litz Wire在製造過程中很難完美的調換,尤其是大股數的線。所以可能實際測試會因股線中的相互電流影響導致更高的交流電阻和測試損耗。
在Maxwell中,做Litz Wire 的模擬主要有兩個步驟,一是要在材料中設定導體的Composition為Litz Wire,二是在激勵源的Winding中,要選擇Stranded。
在Maxwell中,Litz Wire的線形式有三種種類提供選擇,分別是圓線、方線與長方線,如圖1-3。
當選擇材料是矩形的時候,會出現如圖1-4的設定。Strand Number是指股數的設定,Wire Width是單一股線的線徑。特別注意,如果Wire Width設為零,則這個材料會視為Solid。
當選擇材料是長方形時,如圖1-5的設定。其中方向的設定,V(1), V(2) and V(3), 分別代表x, y, 和 z 方向。
在選取損耗時,支援Litz Wire的版本。會多出StrandedLossAC的選項,StrandedLossAC是考量了高頻對Litz Wire的效應(鄰近效應、及膚效應)的銅損(註 2)。StrandedLossAC是包含DC損耗和因為skin effect 和proximity效應造成的AC損耗。
特別提醒讀者,選項中的StrandedLoss只包含了DC的損耗。選取損耗觀測時,請注意選用。細節可以參考下一節介紹。
提供一個比較數據給讀者參考:早期的版本使用一個導體 Stranded Wire(winding中選stranded)做Litz Wire的損耗模擬會是314.3mW。但如果用新版的Litz Wire建模,損耗是1013.2mW;而用2D的真實畫出Litz Wire,損耗是1003.9mW。所以新版本的Litz Wire建模更為精確與快速。
讀者也可以參考Ansys資深工程師Mark Christini所寫的 Using Litz Wire in Maxwell 2D and 3D Simulations。
總結來說,新版的Litz Wire建模不僅加速計算且有達到準度,讀者可以善加利用新版功能來設計。但如前面提醒的,特殊的Litz Wire編排會需要另外的建模方式,Maxwell的Litz Wire預設模型並不能滿足所有的種類建模。
Loss
314.3 mW
1013.2 mW
1003.9 mW
註 2: 因為StrandedLossAC是用後處理計算,在設定中,Set Eddy Effect的設定與否其實並不影響StrandedLossAC的結果。有興趣的讀者,請參考圖1-7的例子。Set Eddy Effect主要影響SolidLoss。