金屬化有機薄膜電容器結構設計和熱計算模型的建立

王世鈺

摘 要：在進行設計與建立金屬化有機薄膜電容器結構的過程中，首先應該應用CAD軟件編制金屬化有機薄膜電容器，CAD軟件的應用，不僅能夠增添電容器設計美感，還對設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構設計。

關鍵詞：有機薄膜電容器 結構設計 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，計算型數學模型的建立過程，并且完成了適用于熱計算以及金屬化有機薄膜電容器結構設計軟件編制工作。憑借軟件進行有機薄膜電容器的試驗，相關試驗結果和產品的參數能夠做到完全吻合，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構設計

有機薄膜電容器通常情況下所采用的是卷繞型芯子結構。這類結構的構成包括兩條極板以及兩條各一層或幾層介質，極板和介質相互隔開然后進行卷繞，形成卷繞型芯子結構，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，卷繞型芯子結構可以分為兩種，一種是無感繞法結構，另一種是一般繞法結構。其中，一般繞法工藝簡單，節省極板材料，但是也有一定的缺點，就是引出片和極板容易發生接觸不良。尤其是出于高溫或低壓的環境中，電容器內部的接觸電阻通常增大顯著，極容易引發低電平開路問題的發生，與此同時，電容器的損耗也會相應的增大。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，表面介質通常是鋁箔，厚度大約在5～10μm之間。介質薄膜的表面會進行真空蒸發，從而形成一層金屬薄膜，這種金屬薄膜具有導電功能，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；介質厚度記為d；介質的相對介質常數記為。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。在進行芯子相關參數計算之前，應該依據相關規定標準，對電容器外殼尺寸進行確定。電容器工作狀態的電壓和工作狀態場強的比值即為介質厚度d，其實介質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，應該盡可能的降低d值?？傊?，考慮介質厚度時應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，對應芯子的尺寸分別為Wc、Hc、Tc。理想條件下，有H-T= Hc-Tc，依據芯子的相關結構，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定的運行，需要對芯子進行保護，在采取相應的保護措施時，盡量選擇保護性能良好，結構相對簡單的外部結構進行保護。通常情況下，全密封型和半密封性外殼應該被選用。其中，半密封性外殼更適用于有機薄膜電容器，此種結構可長期工作在相對濕度80%以下的環境。

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，因為本身會發生一定的損耗，隨之電容器會發熱，熱量中的一部分會向周圍環境進行散發，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生一定的變化，與此同時，如果電容器長期受熱，那么介質容易發生老化，甚至會發生熱擊穿。所以，為了能夠確保電容器可以長期穩定的運行，需要對電容器的熱值進行計算。電容器內部的溫度和環境溫度之間的差值即為電容器的溫升，如果電容器內部最高溫度記為tm，電容器環境溫度記為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，會因為發熱產生熱損耗，直流電、交流電的工作狀態分別為：

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。依據傅里葉定律：一定時間內，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記為T； 電容器外殼表面積記為Sc；電容器的環境溫度記為t0； 電容器外殼表面溫度記為ts。電容器內部溫升包括：芯子內部溫升△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； 外殼內半徑記為r1；芯子高度記為 h；絕緣層導熱系數記為λ；芯子的垂直導熱系數記為λ。由于電容器芯子是由極板和介質進行卷繞形成，應該將一個垂直于介質方向的導熱系數進行引入。在熱流方向上，極板和介質形成的熱阻進行串聯，形成總熱阻。按照這種關系，可以對芯子的垂直導熱系數進行計算。矩形芯子的計算公式為：

公式中： Ho代表芯軸外圓的半周長。

可以得出相關結論：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軟件的編制與應用

本軟件的語言環境為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]。軟件運行對環境的相關要求是：機型選擇486以上，計算機操作系統選擇Win-dows。本軟件的構成分為三部分構成：金屬化有機薄膜電容器的熱計算、結構設計以及文本編輯器。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處理。應用已有軟件對型號為CBB61的電容器進行熱計算和結構設計。在進行相應的結構設計的過程中，單擊設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境還是交流電操作環境。輸入相應值后，單擊確定按鈕。然后選定介質厚度，需要操作者將介質的各項參數進行輸入。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果輸出報表。繼續單擊圖標按鈕，就可以得到如題1的體表輸出。

4 結語

通過電容器的實際應用，對有機薄膜電容器進行熱計算模型的建立以及相應的結構設計，并且驗證了金屬化有機薄膜電容器熱計算和結構設計軟件的實用性。本文對電容器的設計有著重要的意義。

參考文獻

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

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