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摘 要：在进行设计与建立金属化有机薄膜电容器结构的过程中，首先应该应用CAD软件编制金属化有机薄膜电容器，CAD软件的应用，不僅能够增添电容器设计美感，还对设计效果有一定的增强作用，所以，本文详尽的分析并且研究了热计算模型的建立以及金属化有机薄膜电容器结构设计。
关键词：有机薄膜电容器 结构设计 热计算模型
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（b）-0195-02
本文详细研究并讨论了在有机薄膜电容器计算机的辅助下，计算型数学模型的建立过程，并且完成了适用于热计算以及金属化有机薄膜电容器结构设计软件编制工作。凭借软件进行有机薄膜电容器的试验，相关试验结果和产品的参数能够做到完全吻合，也就证明软件具有长远的使用价值。
1 有机薄膜电容器的结构设计
有机薄膜电容器通常情况下所采用的是卷绕型芯子结构。这类结构的构成包括两条极板以及两条各一层或几层介质，极板和介质相互隔开然后进行卷绕，形成卷绕型芯子结构，具体外形包括矩形或者圆柱形。从极板的引出方式进行考虑，卷绕型芯子结构可以分为两种，一种是无感绕法结构，另一种是一般绕法结构。其中，一般绕法工艺简单，节省极板材料，但是也有一定的缺点，就是引出片和极板容易发生接触不良。尤其是出于高温或低压的环境中，电容器内部的接触电阻通常增大显著，极容易引发低电平开路问题的发生，与此同时，电容器的损耗也会相应的增大。金属化极板以及箔极板均属于无感式绕法电容器。制作金属化极板的过程中，表面介质通常是铝箔，厚度大约在5～10μm之间。介质薄膜的表面会进行真空蒸发，从而形成一层金属薄膜，这种金属薄膜具有导电功能，即为金属化极板，金属化极板的厚度约为0.1μm。当前应用最多的极板为单面金属化极板[1]。
卷绕型电容器芯子极板的有效面积记为S （cm2），具体公式为：
公式中：极板的有效宽度记为b，单位为cm； 极板的有效长度记为l，单位为cm；电容器记为C；介质厚度记为d；介质的相对介质常数记为。如果d、C、值确定，那么极板的有效面积就可以按公式（1）进行计算。
卷绕芯子的形状通常由两种，一种是圆柱形，另外一种是矩形。在进行芯子相关参数计算之前，应该依据相关规定标准，对电容器外壳尺寸进行确定。电容器工作状态的电压和工作状态场强的比值即为介质厚度d，其实介质厚度直接决定于电容器的工作场强，为了确保电容器具有更高的可靠性，一般情况下应该对d值进行增加；但是为了能够减小体积、重量，降低成本，应该尽可能的降低d值。总之，考虑介质厚度时应该充分的综合的对上述两个因素进行考虑。卷绕形的金属化薄膜电容器的极板的有效宽度记为b，相对应的计算公式为：
公式中： 芯子高度记为h；留边量记为△b；位错量记为△b′。D为卷绕芯子的直径，其具体计算公式为：
公式中： 芯轴直径记为D0；每匝厚度记为W。矩形芯子计算的时候，应该综合考虑外壳尺寸，然后再确定芯子的宽厚比值。如果，外壳三个方向的尺寸分别记为W、H、T，那么，对应芯子的尺寸分别为Wc、Hc、Tc。理想条件下，有H-T= Hc-Tc，依据芯子的相关结构，可以得出Hc-Tc=πD0/2。如此一来，D0=2 （H-T）/π； Tc=D-D0；Hc=πD0/2+Tc。就可以确定矩形芯子的尺寸。为了能够保证电容器能够长期稳定的运行，需要对芯子进行保护，在采取相应的保护措施时，尽量选择保护性能良好，结构相对简单的外部结构进行保护。通常情况下，全密封型和半密封性外壳应该被选用。其中，半密封性外壳更适用于有机薄膜电容器，此种结构可长期工作在相对湿度80%以下的环境。
2 有机薄膜电容器的热计算
电容器工作的时候处于电场中，在电场的作用下，因为本身会发生一定的损耗，随之电容器会发热，热量中的一部分会向周围环境进行散发，另一部分因为不能散出会进一步使得电容器本身温度升高。造成电容器本身的电性能发生一定的变化，与此同时，如果电容器长期受热，那么介质容易发生老化，甚至会发生热击穿。所以，为了能够确保电容器可以长期稳定的运行，需要对电容器的热值进行计算。电容器内部的温度和环境温度之间的差值即为电容器的温升，如果电容器内部最高温度记为tm，电容器环境温度记为t0，那么电容器温升的最大值为△ tm0=tm-t0。电容器在一定电压的作用下，会因为发热产生热损耗，直流电、交流电的工作状态分别为：
公式中： 电压记为U；绝缘电阻记为 R； 工作频率记为f； 损耗角正切值记为tgW。依据傅里叶定律：一定时间内，单位面积传递的热量和温度梯度成正比。因此，电容器的表面温升的计算公式为：
公式中：电容器外壳表面散热系数记为T； 电容器外壳表面积记为Sc；电容器的环境温度记为t0； 电容器外壳表面温度记为ts。电容器内部温升包括：芯子内部温升△tmc以及电容器与芯子外部之间的温升△tcs。在进行△tmc的计算过程中，需要充分考虑芯子内部的所有部分都是热源，必须采用积分进行计算。圆柱形芯子的计算公式为：
公式中： 圆柱形芯子半径记为r； 外壳内半径记为r1；芯子高度记为 h；绝缘层导热系数记为λ；芯子的垂直导热系数记为λ。由于电容器芯子是由极板和介质进行卷绕形成，应该将一个垂直于介质方向的导热系数进行引入。在热流方向上，极板和介质形成的热阻进行串联，形成总热阻。按照这种关系，可以对芯子的垂直导热系数进行计算。矩形芯子的计算公式为：
公式中： Ho代表芯轴外圆的半周长。
可以得出相关结论：ts代表电容器外壳表面温度，其具体公式为ts=t0+△ts0；tc代表芯子表面温度，其具体公式为tc=ts+△tcs；tm代表芯子中心温度，其具体公式为tm=tc+△tmc。
3 金属化有机薄膜电容器CAD软件的编制与应用
本软件的语言环境为VB（Visual Basic） 5.0，VB是一种可视化Basic语言，是由Microsoft公司推出，这种程序可以简化Windows编程，便于Basic语言管理和显示图形[2]。软件运行对环境的相关要求是：机型选择486以上，计算机操作系统选择Win-dows。本软件的构成分为三部分构成：金属化有机薄膜电容器的热计算、结构设计以及文本编辑器。其中文本编辑器可以编辑文本文件，主要作用是对存盘的文档进行相应处理。应用已有软件对型号为CBB61的电容器进行热计算和结构设计。在进行相应的结构设计的过程中，单击设计菜单中的矩形芯子，这时，会有一个对话框弹出，要求操作者将电容器电压以及压强进行输入，同时确定直流电操作环境还是交流电操作环境。输入相应值后，单击确定按钮。然后选定介质厚度，需要操作者将介质的各项参数进行输入。完成输入后，单击确定，然后就可以得到芯子尺寸、芯子功耗、芯子中心温度、芯子表面温度等的计算结果输出报表。继续单击图标按钮，就可以得到如题1的体表输出。
4 结语
通过电容器的实际应用，对有机薄膜电容器进行热计算模型的建立以及相应的结构设计，并且验证了金属化有机薄膜电容器热计算和结构设计软件的实用性。本文对电容器的设计有着重要的意义。
参考文献
[1] 张亚林.浅谈化工设备设计中CAD/CAM/CAE的应用[J].化工设计通讯科技，2008（9）：53-57.
[2] 谢道华.电容器性能与设计计算[M].北京：中国标准出版社，2001.
关键词：有机薄膜电容器 结构设计 热计算模型
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（b）-0195-02
本文详细研究并讨论了在有机薄膜电容器计算机的辅助下，计算型数学模型的建立过程，并且完成了适用于热计算以及金属化有机薄膜电容器结构设计软件编制工作。凭借软件进行有机薄膜电容器的试验，相关试验结果和产品的参数能够做到完全吻合，也就证明软件具有长远的使用价值。
1 有机薄膜电容器的结构设计
有机薄膜电容器通常情况下所采用的是卷绕型芯子结构。这类结构的构成包括两条极板以及两条各一层或几层介质，极板和介质相互隔开然后进行卷绕，形成卷绕型芯子结构，具体外形包括矩形或者圆柱形。从极板的引出方式进行考虑，卷绕型芯子结构可以分为两种，一种是无感绕法结构，另一种是一般绕法结构。其中，一般绕法工艺简单，节省极板材料，但是也有一定的缺点，就是引出片和极板容易发生接触不良。尤其是出于高温或低压的环境中，电容器内部的接触电阻通常增大显著，极容易引发低电平开路问题的发生，与此同时，电容器的损耗也会相应的增大。金属化极板以及箔极板均属于无感式绕法电容器。制作金属化极板的过程中，表面介质通常是铝箔，厚度大约在5～10μm之间。介质薄膜的表面会进行真空蒸发，从而形成一层金属薄膜，这种金属薄膜具有导电功能，即为金属化极板，金属化极板的厚度约为0.1μm。当前应用最多的极板为单面金属化极板[1]。
卷绕型电容器芯子极板的有效面积记为S （cm2），具体公式为：
公式中：极板的有效宽度记为b，单位为cm； 极板的有效长度记为l，单位为cm；电容器记为C；介质厚度记为d；介质的相对介质常数记为。如果d、C、值确定，那么极板的有效面积就可以按公式（1）进行计算。
卷绕芯子的形状通常由两种，一种是圆柱形，另外一种是矩形。在进行芯子相关参数计算之前，应该依据相关规定标准，对电容器外壳尺寸进行确定。电容器工作状态的电压和工作状态场强的比值即为介质厚度d，其实介质厚度直接决定于电容器的工作场强，为了确保电容器具有更高的可靠性，一般情况下应该对d值进行增加；但是为了能够减小体积、重量，降低成本，应该尽可能的降低d值。总之，考虑介质厚度时应该充分的综合的对上述两个因素进行考虑。卷绕形的金属化薄膜电容器的极板的有效宽度记为b，相对应的计算公式为：
公式中： 芯子高度记为h；留边量记为△b；位错量记为△b′。D为卷绕芯子的直径，其具体计算公式为：
公式中： 芯轴直径记为D0；每匝厚度记为W。矩形芯子计算的时候，应该综合考虑外壳尺寸，然后再确定芯子的宽厚比值。如果，外壳三个方向的尺寸分别记为W、H、T，那么，对应芯子的尺寸分别为Wc、Hc、Tc。理想条件下，有H-T= Hc-Tc，依据芯子的相关结构，可以得出Hc-Tc=πD0/2。如此一来，D0=2 （H-T）/π； Tc=D-D0；Hc=πD0/2+Tc。就可以确定矩形芯子的尺寸。为了能够保证电容器能够长期稳定的运行，需要对芯子进行保护，在采取相应的保护措施时，尽量选择保护性能良好，结构相对简单的外部结构进行保护。通常情况下，全密封型和半密封性外壳应该被选用。其中，半密封性外壳更适用于有机薄膜电容器，此种结构可长期工作在相对湿度80%以下的环境。
2 有机薄膜电容器的热计算
电容器工作的时候处于电场中，在电场的作用下，因为本身会发生一定的损耗，随之电容器会发热，热量中的一部分会向周围环境进行散发，另一部分因为不能散出会进一步使得电容器本身温度升高。造成电容器本身的电性能发生一定的变化，与此同时，如果电容器长期受热，那么介质容易发生老化，甚至会发生热击穿。所以，为了能够确保电容器可以长期稳定的运行，需要对电容器的热值进行计算。电容器内部的温度和环境温度之间的差值即为电容器的温升，如果电容器内部最高温度记为tm，电容器环境温度记为t0，那么电容器温升的最大值为△ tm0=tm-t0。电容器在一定电压的作用下，会因为发热产生热损耗，直流电、交流电的工作状态分别为：
公式中： 电压记为U；绝缘电阻记为 R； 工作频率记为f； 损耗角正切值记为tgW。依据傅里叶定律：一定时间内，单位面积传递的热量和温度梯度成正比。因此，电容器的表面温升的计算公式为：
公式中：电容器外壳表面散热系数记为T； 电容器外壳表面积记为Sc；电容器的环境温度记为t0； 电容器外壳表面温度记为ts。电容器内部温升包括：芯子内部温升△tmc以及电容器与芯子外部之间的温升△tcs。在进行△tmc的计算过程中，需要充分考虑芯子内部的所有部分都是热源，必须采用积分进行计算。圆柱形芯子的计算公式为：
公式中： 圆柱形芯子半径记为r； 外壳内半径记为r1；芯子高度记为 h；绝缘层导热系数记为λ；芯子的垂直导热系数记为λ。由于电容器芯子是由极板和介质进行卷绕形成，应该将一个垂直于介质方向的导热系数进行引入。在热流方向上，极板和介质形成的热阻进行串联，形成总热阻。按照这种关系，可以对芯子的垂直导热系数进行计算。矩形芯子的计算公式为：
公式中： Ho代表芯轴外圆的半周长。
可以得出相关结论：ts代表电容器外壳表面温度，其具体公式为ts=t0+△ts0；tc代表芯子表面温度，其具体公式为tc=ts+△tcs；tm代表芯子中心温度，其具体公式为tm=tc+△tmc。
3 金属化有机薄膜电容器CAD软件的编制与应用
本软件的语言环境为VB（Visual Basic） 5.0，VB是一种可视化Basic语言，是由Microsoft公司推出，这种程序可以简化Windows编程，便于Basic语言管理和显示图形[2]。软件运行对环境的相关要求是：机型选择486以上，计算机操作系统选择Win-dows。本软件的构成分为三部分构成：金属化有机薄膜电容器的热计算、结构设计以及文本编辑器。其中文本编辑器可以编辑文本文件，主要作用是对存盘的文档进行相应处理。应用已有软件对型号为CBB61的电容器进行热计算和结构设计。在进行相应的结构设计的过程中，单击设计菜单中的矩形芯子，这时，会有一个对话框弹出，要求操作者将电容器电压以及压强进行输入，同时确定直流电操作环境还是交流电操作环境。输入相应值后，单击确定按钮。然后选定介质厚度，需要操作者将介质的各项参数进行输入。完成输入后，单击确定，然后就可以得到芯子尺寸、芯子功耗、芯子中心温度、芯子表面温度等的计算结果输出报表。继续单击图标按钮，就可以得到如题1的体表输出。
4 结语
通过电容器的实际应用，对有机薄膜电容器进行热计算模型的建立以及相应的结构设计，并且验证了金属化有机薄膜电容器热计算和结构设计软件的实用性。本文对电容器的设计有着重要的意义。
参考文献
[1] 张亚林.浅谈化工设备设计中CAD/CAM/CAE的应用[J].化工设计通讯科技，2008（9）：53-57.
[2] 谢道华.电容器性能与设计计算[M].北京：中国标准出版社，2001.