王世鈺

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

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（b）-0195-02

本文詳細(xì)研究并討論了在有機(jī)薄膜電容器計(jì)算機(jī)的輔助下，計(jì)算型數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程，并且完成了適用于熱計(jì)算以及金屬化有機(jī)薄膜電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件編制工作。憑借軟件進(jìn)行有機(jī)薄膜電容器的試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)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(zhǎng)遠(yuǎn)的使用價(jià)值。

1 有機(jī)薄膜電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有機(jī)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(lèi)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(kāi)然后進(jìn)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(jìn)行考慮，卷繞型芯子結(jié)構(gòu)可以分為兩種，一種是無(wú)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(jiǎn)單，節(jié)省極板材料，但是也有一定的缺點(diǎn)，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(kāi)路問(wèn)題的發(fā)生，與此同時(shí)，電容器的損耗也會(huì)相應(yīng)的增大。金屬化極板以及箔極板均屬于無(wú)感式繞法電容器。制作金屬化極板的過(guò)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(huì)進(jìn)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(dāng)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(zhǎng)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(duì)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(jìn)行計(jì)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(jìn)行芯子相關(guān)參數(shù)計(jì)算之前，應(yīng)該依據(jù)相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電容器外殼尺寸進(jìn)行確定。電容器工作狀態(tài)的電壓和工作狀態(tài)場(chǎng)強(qiáng)的比值即為介質(zhì)厚度d，其實(shí)介質(zhì)厚度直接決定于電容器的工作場(chǎng)強(qiáng)，為了確保電容器具有更高的可靠性，一般情況下應(yīng)該對(duì)d值進(jìn)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(shí)應(yīng)該充分的綜合的對(duì)上述兩個(gè)因素進(jìn)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(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

公式中： 芯子高度記為h；留邊量記為△b；位錯(cuò)量記為△b′。D為卷繞芯子的直徑，其具體計(jì)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(jì)算的時(shí)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(gè)方向的尺寸分別記為W、H、T，那么，對(duì)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(lái)，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(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對(duì)芯子進(jìn)行保護(hù)，在采取相應(yīng)的保護(hù)措施時(shí)，盡量選擇保護(hù)性能良好，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。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(jī)薄膜電容器，此種結(jié)構(gòu)可長(zhǎng)期工作在相對(duì)濕度80%以下的環(huán)境。

2 有機(jī)薄膜電容器的熱計(jì)算

電容器工作的時(shí)候處于電場(chǎng)中，在電場(chǎng)的作用下，因?yàn)楸旧頃?huì)發(fā)生一定的損耗，隨之電容器會(huì)發(fā)熱，熱量中的一部分會(huì)向周?chē)h(huán)境進(jìn)行散發(fā)，另一部分因?yàn)椴荒苌⒊鰰?huì)進(jìn)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(shí)，如果電容器長(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對(duì)電容器的熱值進(jìn)行計(jì)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(huì)因?yàn)榘l(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(shí)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(jì)算公式為：

公式中：電容器外殼表面散熱系數(shù)記為T(mén)； 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(jìn)行△tmc的計(jì)算過(guò)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(jìn)行計(jì)算。圓柱形芯子的計(jì)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(jìn)行卷繞形成，應(yīng)該將一個(gè)垂直于介質(zhì)方向的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行引入。在熱流方向上，極板和介質(zhì)形成的熱阻進(jìn)行串聯(lián)，形成總熱阻。按照這種關(guān)系，可以對(duì)芯子的垂直導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。矩形芯子的計(jì)算公式為：

公式中： Ho代表芯軸外圓的半周長(zhǎng)。

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(jī)薄膜電容器CAD軟件的編制與應(yīng)用

本軟件的語(yǔ)言環(huán)境為VB（Visual Basic） 5.0，VB是一種可視化Basic語(yǔ)言，是由Microsoft公司推出，這種程序可以簡(jiǎn)化Windows編程，便于Basic語(yǔ)言管理和顯示圖形[2]。軟件運(yùn)行對(duì)環(huán)境的相關(guān)要求是：機(jī)型選擇486以上，計(jì)算機(jī)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(jī)薄膜電容器的熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)存盤(pán)的文檔進(jìn)行相應(yīng)處理。應(yīng)用已有軟件對(duì)型號(hào)為CBB61的電容器進(jìn)行熱計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，單擊設(shè)計(jì)菜單中的矩形芯子，這時(shí)，會(huì)有一個(gè)對(duì)話框彈出，要求操作者將電容器電壓以及壓強(qiáng)進(jìn)行輸入，同時(shí)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(xiàng)參數(shù)進(jìn)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(jì)算結(jié)果輸出報(bào)表。繼續(xù)單擊圖標(biāo)按鈕，就可以得到如題1的體表輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電容器的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)有機(jī)薄膜電容器進(jìn)行熱計(jì)算模型的建立以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且驗(yàn)證了金屬化有機(jī)薄膜電容器熱計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的實(shí)用性。本文對(duì)電容器的設(shè)計(jì)有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 謝道華.電容器性能與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.endprint