磁性器件的优化设计及其可视化算法

本书主要介绍电力电子功率变换器中磁性器件的电磁原理、设计类别和计算方法，包括变压器、电感器和滤波器的工况，电磁参数的测算，铁磁质的选用，数学模型的建立，优化设计的介绍，四维/五维数据可视化的实现及其在优化设计中的算例。优化设计的对象有逆变器用LCL滤波器、整流器用LC滤波器、变压器和电感器，所需兼顾的设计目标和约束条件有成本、损耗、温升、体积、电压调整率和漏感等，电磁参数的测算有无功功率的图解法、非同心绕组变压器漏感的公式推导。书中还提供了程序代码及其详细注释，便于优化设计的二次开发。本书可作为电力系统及其自动化、电力电子与电力传动等学科的研究生教材，也可供理工科的研究人员和工程技术人员参考。

第1章磁性器件优化设计1
1.1磁性器件的振兴1
1.2磁性器件的设计3
1.2.1设计意义和设计思想3
1.2.2设计类别和各自特点4
1.2.3优化模型和目标约束7
1.2.4数值优化和优化算法10
1.2.5双层优化和系统优化11
1.2.6双层优化和博弈策略12
1.3优化设计的关联14
1.3.1中国智造和优化设计14
1.3.2优化设计的技术准备和电磁参数测算15
参考文献15
第2章优化设计的可视化算法17
2.1数据可视化的意义17
2.2三维可视化算法18
2.2.1网格坐标和网格数值18
2.2.2决策变量和目标约束22
2.2.3值域频谱和并/交集32
2.3四维可视化算法38
2.3.1既有方法和存在问题38
2.3.2晶格坐标和晶格数值39
2.3.3点线面体和逐步累集46
2.3.4求点于集和数学证明53
2.4五维可视化算法56
2.4.1决策变量和坐标映射56
2.4.2时变颜色和往复可逆57
2.4.3五维数据和降维升维58
2.4.4时空资源和效果分析59
2.5优化设计建模的三大要素及其可视化60
2.5.1自变量和因变量60
2.5.2基本策略和并/交集62
2.5.3减少所占内存和缩短耗时63
参考文献64
第3章磁性器件的电磁参数65
3.1软磁材料和电磁特性65
3.1.1电参数和磁参数65
3.1.2B-H回线和电磁特性67
3.1.3铁磁质和磁导率68
3.1.4诸磁导率69
3.2起关键作用的气隙71
3.2.1铁心和气隙72
3.2.2气隙和磁导率73
3.2.3磁导率和五维图76
3.2.4铁心和几何结构78
3.3变压器和电磁路79
3.3.1等效电磁路和等效电路80
3.3.2Maxwell方程和电磁路公式81
3.3.3电磁参数和设计变量83
3.3.4电磁参数和测算方法88
3.4非同心绕组变压器的漏感92
3.4.1绕组分布和漏感构成92
3.4.2同心绕组变压器漏感的分析93
3.4.3非同心绕组变压器漏感的分析95
3.4.4非同心绕组变压器漏感的探讨101
3.4.5非同心绕组变压器漏感的验证105
3.4.6非同心绕组变压器漏感的结论108
3.5多线圈电子变压器的漏感109
3.5.1三线圈排列推挽式结构109
3.5.2漏感的涉及空间和漏感的持续时间110
3.5.3能量的流向和所涉的漏感113
3.5.4漏感的和漏感的利用117
参考文献118
第4章电磁参数的测算方法120
4.1电感量的测算120
4.1.1电桥直接法和测算间接法120
4.1.2直流偏置和测算方法121
4.2漏感量的测算124
4.2.1推挽变压器和漏磁通分离124
4.2.2初级线圈和换流漏感125
4.2.3初级次级和滤波漏感126
4.3无功功率的测算126
4.3.1半波整流电阻负载和无功功率图解法127
4.3.2全波整流电阻负载和无功功率图解法137
4.3.3全波整流反电势负载和无功功率图解法150
4.3.4全波整流阻感负载和无功功率图解法159
参考文献170
第5章LC滤波器的优化设计172
5.1整流器用LC滤波器的优化设计172
5.1.1电感器位于交流侧的LC直流滤波器172
5.1.2输出电压谐波分析及其设计条件173
5.1.3滤波器的设计、仿真和实验178
5.1.4仿真和实验互相验证180
5.1.5直流无源滤波器设计要点182
5.2逆变器用低通滤波器的优化设计182
5.2.1逆变器用低通无源滤波器的原理182
5.2.2逆变器用LC滤波器的优化设计194
5.3逆变器用LCL滤波器的优化设计199
5.3.1工频滤波器优化设计概述199
5.3.2系统功率因数的可视化201
5.3.3低通滤波器内阻抗特性209
5.3.4低通滤波器频率特性211
5.3.5电流负担和电压应力213
5.3.6稳定裕量和滤波效果215
5.3.7非对称T型优化设计要点216
5.4变频器用LCL滤波器的优化设计217
5.4.1变频器用LCL滤波器设计概述217
5.4.2变频器用LCL滤波器的设计步骤218
5.5交流低通无源滤波器优化设计小结224
参考文献225
第6章变压器、电感器的优化设计226
6.1基于E型铁心的电感器优化设计226
6.1.1简图和主要公式226
6.1.2可视化算法229
6.1.3实物实验236
6.1.4基于E型铁心的设计要点236
6.2基于R型铁心的小型变压器237
6.2.1小型变压器设计概述237
6.2.2概念设计238
6.2.3优化设计的可视化算法239
6.2.4设计目标和约束条件242
6.2.5两种设计理念251
6.2.6R型铁心整流变压器优化设计要点254
6.3程序代码及其注释254
6.3.1四维可视化的基本图像254
6.3.2四维可视化算法的实用图像256
参考文献258