Advanced modeling of Litz wire using finite element method

Elfahem, Majdi (2024). Advanced modeling of Litz wire using finite element method. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The integration of Litz wire into electric component designs marks a significant breakthrough in mitigating copper losses and improving device efficiency, particularly in high-frequency applications where traditional conductors struggle. Litz wire complex arrangement of individually insulated strands effectively reduces the skin and proximity effects, resulting in a more even distribution of current and a substantial mitigation in resistive losses. However, modeling and simulating Litz wire configurations present unique computational challenges. While traditional analytical methods offer speed and accuracy in certain cases, they often require adaptation and are limited to specific scenarios. Consequently, there is a growing shift towards numerical techniques to address these complexities effectively.

This thesis aims to explore the nuanced applications of Litz wire and introduce a novel numerical technique for modeling Litz wire coils, enabling efficient computation of winding AC losses and related quantities. By leveraging advanced numerical methods, this approach overcomes the longstanding challenges associated with intricate Litz wire scenarios, facilitating comprehensive analyses and design optimizations for electric systems. In addition to an introduction and conclusion, this thesis is structured into four chapters: a literature review, an examination of power loss phenomena in electric devices, an exploration of analytical techniques and Finite Element Method (FEM) solutions for analyzing winding losses, and finally, the introduction of a novel finite element modeling approach for simulating Litz wire conductors. Through these investigations, the thesis aims to contribute to advancing the efficiency and reliability of electric systems in the era of electrification, addressing critical challenges in high-frequency applications and enhancing the sustainability of electric component designs.

Titre traduit

Modélisation avancée du fils de Litz avec la méthode des éléments finis

Résumé traduit

L'intégration du fils de Litz dans les conceptions de composants électriques représente une avancée significative dans la réduction des pertes de cuivre et l'amélioration de l'efficacité des dispositifs, en particulier dans les applications haute fréquence où les conducteurs traditionnels rencontrent des problèmes de rendement. L'agencement complexe des brins individuellement isolés du fil Litz permet de contrer les effets de peau et de proximité, résultant en une distribution plus uniforme du courant et une réduction substantielle des pertes résistives. Cependant, la modélisation et la simulation des configurations de fil Litz présentent des défis de calculs uniques. Alors que les méthodes analytiques traditionnelles offrent rapidité et précision dans certains cas, elles nécessitent souvent une adaptation et sont limitées à des scénarios spécifiques. Par conséquent, il existe un mouvement croissant vers les techniques numériques pour effectuer des quantifications de manière efficace.

Cette thèse vise à explorer les diverses applications du fil Litz et à introduire une nouvelle technique numérique pour la modélisation des bobines de fil Litz, permettant le calcul efficace des pertes en courant alternatif de l'enroulement et des quantités associées. En utilisant des méthodes numériques avancées, cette approche surmonte les défis de longue date associés aux scénarios complexes des fils de Litz, facilitant les analyses approfondies et les optimisations de conception pour les systèmes électriques. L'étude est divisée en quatre chapitres : une revue de la littérature, un examen des phénomènes de pertes de puissance dans les dispositifs électriques, une exploration des techniques analytiques et des solutions de la méthode des éléments finis (FEM) pour l'analyse des pertes enroulement, et enfin, l'introduction d'une nouvelle approche de modélisation par éléments finis pour simuler les conducteurs en fil Litz. À travers ces investigations, ce mémoire vise à contribuer à l'avancement de l'efficacité et de la fiabilité des systèmes électriques à l'ère de l'électrification, en abordant les défis critiques des applications haute fréquence et en améliorant la durabilité des conceptions de composants électriques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 127-132).
Mots-clés libres:	fil Litz, pertes de cuivre, applications haute fréquence, techniques numériques, méthode des éléments finis, systèmes électriques, simulation, optimisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Fortin-Blanchette, Handy
Codirecteur:	Codirecteur Demers, Vincent
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	17 déc. 2024 14:09
Dernière modification:	17 déc. 2024 14:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3513

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