金屬化有機薄膜電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱計算模型的建立

王世鈺

摘 要：在進行設(shè)計與建立金屬化有機薄膜電容器結(jié)構(gòu)的過程中，首先應(yīng)該應(yīng)用CAD軟件編制金屬化有機薄膜電容器，CAD軟件的應(yīng)用，不僅能夠增添電容器設(shè)計美感，還對設(shè)計效果有一定的增強作用，所以，本文詳盡的分析并且研究了熱計算模型的建立以及金屬化有機薄膜電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：有機薄膜電容器 結(jié)構(gòu)設(shè)計 熱計算模型

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（b）-0195-02

本文詳細研究并討論了在有機薄膜電容器計算機的輔助下，計算型數(shù)學(xué)模型的建立過程，并且完成了適用于熱計算以及金屬化有機薄膜電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件編制工作。憑借軟件進行有機薄膜電容器的試驗，相關(guān)試驗結(jié)果和產(chǎn)品的參數(shù)能夠做到完全吻合，也就證明軟件具有長遠的使用價值。

1 有機薄膜電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

有機薄膜電容器通常情況下所采用的是卷繞型芯子結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的構(gòu)成包括兩條極板以及兩條各一層或幾層介質(zhì)，極板和介質(zhì)相互隔開然后進行卷繞，形成卷繞型芯子結(jié)構(gòu)，具體外形包括矩形或者圓柱形。從極板的引出方式進行考慮，卷繞型芯子結(jié)構(gòu)可以分為兩種，一種是無感繞法結(jié)構(gòu)，另一種是一般繞法結(jié)構(gòu)。其中，一般繞法工藝簡單，節(jié)省極板材料，但是也有一定的缺點，就是引出片和極板容易發(fā)生接觸不良。尤其是出于高溫或低壓的環(huán)境中，電容器內(nèi)部的接觸電阻通常增大顯著，極容易引發(fā)低電平開路問題的發(fā)生，與此同時，電容器的損耗也會相應(yīng)的增大。金屬化極板以及箔極板均屬于無感式繞法電容器。制作金屬化極板的過程中，表面介質(zhì)通常是鋁箔，厚度大約在5～10μm之間。介質(zhì)薄膜的表面會進行真空蒸發(fā)，從而形成一層金屬薄膜，這種金屬薄膜具有導(dǎo)電功能，即為金屬化極板，金屬化極板的厚度約為0.1μm。當前應(yīng)用最多的極板為單面金屬化極板[1]。

卷繞型電容器芯子極板的有效面積記為S （cm2），具體公式為：

公式中：極板的有效寬度記為b，單位為cm； 極板的有效長度記為l，單位為cm；電容器記為C；介質(zhì)厚度記為d；介質(zhì)的相對介質(zhì)常數(shù)記為。如果d、C、值確定，那么極板的有效面積就可以按公式（1）進行計算。

卷繞芯子的形狀通常由兩種，一種是圓柱形，另外一種是矩形。在進行芯子相關(guān)參數(shù)計算之前，應(yīng)該依據(jù)相關(guān)規(guī)定標準，對電容器外殼尺寸進行確定。電容器工作狀態(tài)的電壓和工作狀態(tài)場強的比值即為介質(zhì)厚度d，其實介質(zhì)厚度直接決定于電容器的工作場強，為了確保電容器具有更高的可靠性，一般情況下應(yīng)該對d值進行增加；但是為了能夠減小體積、重量，降低成本，應(yīng)該盡可能的降低d值?？傊?，考慮介質(zhì)厚度時應(yīng)該充分的綜合的對上述兩個因素進行考慮。卷繞形的金屬化薄膜電容器的極板的有效寬度記為b，相對應(yīng)的計算公式為：

公式中： 芯子高度記為h；留邊量記為△b；位錯量記為△b′。D為卷繞芯子的直徑，其具體計算公式為：

公式中： 芯軸直徑記為D0；每匝厚度記為W。矩形芯子計算的時候，應(yīng)該綜合考慮外殼尺寸，然后再確定芯子的寬厚比值。如果，外殼三個方向的尺寸分別記為W、H、T，那么，對應(yīng)芯子的尺寸分別為Wc、Hc、Tc。理想條件下，有H-T= Hc-Tc，依據(jù)芯子的相關(guān)結(jié)構(gòu)，可以得出Hc-Tc=πD0/2。如此一來，D0=2 （H-T）/π； Tc=D-D0；Hc=πD0/2+Tc。就可以確定矩形芯子的尺寸。為了能夠保證電容器能夠長期穩(wěn)定的運行，需要對芯子進行保護，在采取相應(yīng)的保護措施時，盡量選擇保護性能良好，結(jié)構(gòu)相對簡單的外部結(jié)構(gòu)進行保護。通常情況下，全密封型和半密封性外殼應(yīng)該被選用。其中，半密封性外殼更適用于有機薄膜電容器，此種結(jié)構(gòu)可長期工作在相對濕度80%以下的環(huán)境。

2 有機薄膜電容器的熱計算

電容器工作的時候處于電場中，在電場的作用下，因為本身會發(fā)生一定的損耗，隨之電容器會發(fā)熱，熱量中的一部分會向周圍環(huán)境進行散發(fā)，另一部分因為不能散出會進一步使得電容器本身溫度升高。造成電容器本身的電性能發(fā)生一定的變化，與此同時，如果電容器長期受熱，那么介質(zhì)容易發(fā)生老化，甚至?xí)l(fā)生熱擊穿。所以，為了能夠確保電容器可以長期穩(wěn)定的運行，需要對電容器的熱值進行計算。電容器內(nèi)部的溫度和環(huán)境溫度之間的差值即為電容器的溫升，如果電容器內(nèi)部最高溫度記為tm，電容器環(huán)境溫度記為t0，那么電容器溫升的最大值為△ tm0=tm-t0。電容器在一定電壓的作用下，會因為發(fā)熱產(chǎn)生熱損耗，直流電、交流電的工作狀態(tài)分別為：

公式中： 電壓記為U；絕緣電阻記為 R； 工作頻率記為f； 損耗角正切值記為tgW。依據(jù)傅里葉定律：一定時間內(nèi)，單位面積傳遞的熱量和溫度梯度成正比。因此，電容器的表面溫升的計算公式為：

公式中：電容器外殼表面散熱系數(shù)記為T； 電容器外殼表面積記為Sc；電容器的環(huán)境溫度記為t0； 電容器外殼表面溫度記為ts。電容器內(nèi)部溫升包括：芯子內(nèi)部溫升△tmc以及電容器與芯子外部之間的溫升△tcs。在進行△tmc的計算過程中，需要充分考慮芯子內(nèi)部的所有部分都是熱源，必須采用積分進行計算。圓柱形芯子的計算公式為：

公式中： 圓柱形芯子半徑記為r； 外殼內(nèi)半徑記為r1；芯子高度記為 h；絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)記為λ；芯子的垂直導(dǎo)熱系數(shù)記為λ。由于電容器芯子是由極板和介質(zhì)進行卷繞形成，應(yīng)該將一個垂直于介質(zhì)方向的導(dǎo)熱系數(shù)進行引入。在熱流方向上，極板和介質(zhì)形成的熱阻進行串聯(lián)，形成總熱阻。按照這種關(guān)系，可以對芯子的垂直導(dǎo)熱系數(shù)進行計算。矩形芯子的計算公式為：

公式中： Ho代表芯軸外圓的半周長。

可以得出相關(guān)結(jié)論：ts代表電容器外殼表面溫度，其具體公式為ts=t0+△ts0；tc代表芯子表面溫度，其具體公式為tc=ts+△tcs；tm代表芯子中心溫度，其具體公式為tm=tc+△tmc。

3 金屬化有機薄膜電容器CAD軟件的編制與應(yīng)用

本軟件的語言環(huán)境為VB（Visual Basic） 5.0，VB是一種可視化Basic語言，是由Microsoft公司推出，這種程序可以簡化Windows編程，便于Basic語言管理和顯示圖形[2]。軟件運行對環(huán)境的相關(guān)要求是：機型選擇486以上，計算機操作系統(tǒng)選擇Win-dows。本軟件的構(gòu)成分為三部分構(gòu)成：金屬化有機薄膜電容器的熱計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及文本編輯器。其中文本編輯器可以編輯文本文件，主要作用是對存盤的文檔進行相應(yīng)處理。應(yīng)用已有軟件對型號為CBB61的電容器進行熱計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，單擊設(shè)計菜單中的矩形芯子，這時，會有一個對話框彈出，要求操作者將電容器電壓以及壓強進行輸入，同時確定直流電操作環(huán)境還是交流電操作環(huán)境。輸入相應(yīng)值后，單擊確定按鈕。然后選定介質(zhì)厚度，需要操作者將介質(zhì)的各項參數(shù)進行輸入。完成輸入后，單擊確定，然后就可以得到芯子尺寸、芯子功耗、芯子中心溫度、芯子表面溫度等的計算結(jié)果輸出報表。繼續(xù)單擊圖標按鈕，就可以得到如題1的體表輸出。

4 結(jié)語

通過電容器的實際應(yīng)用，對有機薄膜電容器進行熱計算模型的建立以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且驗證了金屬化有機薄膜電容器熱計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的實用性。本文對電容器的設(shè)計有著重要的意義。

參考文獻

[1] 張亞林.淺談化工設(shè)備設(shè)計中CAD/CAM/CAE的應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊科技，2008（9）：53-57.

[2] 謝道華.電容器性能與設(shè)計計算[M].北京：中國標準出版社，2001.endprint