中国电源学会

电源科技奖获奖展示 | 二等奖：电感器的结构优化设计

更新日期：2019/11/18 17:53:36 浏览量：557

完成单位：青岛大学、青岛云路新能源科技有限公司主要完成人：王春芳、郑建芬、王世伟、王建刚、曾平项目亮点 创新发明了多种电感器的磁芯结构、线圈结构及绕线工艺，建立了电感器件的设计理论体系。项目介绍电感器是电能变换电路的关键元件，其电磁热场参数相互耦合，经常存在温度场分布不均、温度梯度过高、噪声较大、绝缘薄弱等困扰企业发展的难题。本项目“电感器的结构优化设计”较好地解决了这些问题，其属于电源技术领域。1、主要科技内容针对电感器的具体应用电路，采用耦合模理论建立该电感器件的电磁热场与电路系统耦合的全状态模型，获得电压、电流等模拟曲线并进行采样；对电感器铁芯材料建立新媒质（复合媒质）特性模型、建立磁阻、趋肤渗透等表面响应模型；建立多目标、多约束的电感器结构参数非线性规划（NLP）模型；建立3D有限元仿真模型，通过仿真得到该电感器的三维磁场分布、温度场分布、及噪声分布云图；基于Pareto最优思想及交叉熵理论，形成一种结构参数的优化设计方法。2、技术经济指标电感器是非标元件，其技术经济指标受制于电路拓扑、开关频率、空间容量、散热条件、效率要求、噪声要求等，本项目涉及青岛云路多个电感器的结构创新及传统电感器的结构参数优化方法。仅以个别创新产品的技术指标和经济指标为例。以中央空调用“三相等磁路全粉芯立体电感”为例，其功率密度、温度、欧洲效率3个重要技术指标全面超过同类产品的国际一流水平；以家庭“空调用新型PFC电感器” 为例，结构参数优化后每只成本比传统结构降低0.4元，年产1000万只，产值9200万元，增加净利润400万元。3、促进行业科技进步作用本项目形成了多个结构创新产品及适用于所有产品的结构参数优化设计方法，新产品研发周期由原来的3个月缩短到1周，有力地促进了企业的快速发展及我国电源事业的发展，特别是新能源发电及新能源汽车的发展。4、应用推广情况从2016年度到2018年度，公司相关产品的销售收入从7.2亿上升到了12.5亿元，新增销售额5.2622亿元，新增利润1481万，外汇创收175万美元；另外仅2018年度新增利润3056万元，税收400万元。项目图片<img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969678482682625496280.jpg" title="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_1_图像_0001.jpg" alt="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_1_图像_0001.jpg" width="300" height=""/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969680160026763869056.jpg" title="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_1_图像_0002.jpg" alt="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_1_图像_0002.jpg" width="300" height=""/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969681918130435598612.jpg" title="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_2_图像_0001.jpg" alt="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_2_图像_0001.jpg" width="300" height=""/>   <img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969684404948368565826.jpg" title="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_2_图像_0002.jpg" alt="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_2_图像_0002.jpg" width="300" height=""/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969687385416345929608.jpg" title="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_3_图像_0001.jpg" alt="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_3_图像_0001.jpg" width="300" height=""/><img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969691308852659144428.jpg" title="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_3_图像_0002.jpg" alt="序号14_12_2_反映项目特征的照片_页面_3_图像_0002.jpg" width="300" height=""/>项目完成单位 1. 青岛大学负责电感器件的结构优化、电磁热场数值模拟及多目标优化设计，贡献如下：1）、创新了电感器件的设计理论体系建立了电磁热场与电路系统耦合的模型、复合媒质特性模型、磁阻和电阻的表面响应模型、3D有限元模型，以此为基础对电感器进行全局优化和多目标优化。通过不断改变模型中的铁心结构和磁性材料搭配、改变气隙长度和气隙个数、绕线工艺和绕线材质等，以满足用户在效率、温升、噪声、绝缘、安装尺寸、滤波效果等方面的要求，极大地提升了产品质量。2）、由模仿设计走向数值化行业引领设计2013年之前合作单位完全依靠模仿和国内外专家经验来设计产品，严重制约了企业的发展。随着该项目的实施进展，电感器存在的温度场分布不均、温度梯度过高、噪声较大、绝缘薄弱等困扰企业发展的理论难题逐渐被解决，数值化模拟设计理论在2016年基本成熟。推出的新产品研发周期由原来的3个月缩短到1周，分别获得国内外知名企业颁发的优质产品奖。2. 青岛云路新能源科技有限公司负责“电感器件的产业化，包括样机、实验调试、小试、中试及产业化”，具体贡献如下：1）创新发明了多种电感器的磁芯结构、线圈结构及绕线工艺取得相关专利24项，部分专利在申报前得到了青岛大学在结构和拓扑优化设计方面的技术支持，有力地保护了项目取得的科技成果。2）该成果已经得到大规模推广应用根据2016至2018年度会计报告、经济效益报告及科研投入说明可知，从2013年到2018年共获得销售收入52.82亿元的经济效益，从2013年到2016年3年间新增销售额只有8127万元，而随着技术的逐渐成熟，特别是从2016年到2018年3年间就新增销售额达到52622万元，是前3年的接近6.5倍。3）为用户输送了大量优质配套产品推出的新产品研发周期由原来的3个月缩短到1周，技术成熟度越来越高，电感器类产品在2017年和2018年获得多家国内外知名企业的“协同创新奖”、“卓越品质奖”等。第一完成人简介    <img src="http://file.cpss.org.cn/Resource/UploadFile/6370969695580242388825572.JPG" title="序号14_12_1_王春芳-照片.JPG" alt="序号14_12_1_王春芳-照片.JPG" width="" height="400"/>   王春芳   教授/博导 青岛大学王春芳，男，1964年11月生，博士，教授，博士生导师，现任青岛大学“工程学”省一流学科电气工程方向负责人。获东北重型机械学院自动检测技术专业学士、清华大学电力电子与电力传动专业硕士、西安交通大学电气工程专业博士学位。主持完成山东省自然科学基金和科技发展计划项目各1项、青岛市新产品鉴定项目1项，参与完成国家自然科学基金1项、省教委项目1项；目前主持国家自然科学基金1项，参与国家基金重点项目1项，主持横向课题多项。发表科研论文100余篇，其中SCI、EI收录论文20余篇。授权国家发明专利19项，在审发明专利20余项。以第一位次获电源学会科技进步二等奖1项、山东省科技进步三等奖1项。为企业研发电源新产品30余种。兼任IEEE会员、中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会副主任委员、新能源电能变换技术专委会委员。

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