用电磁模拟评估变压器设计

从微小的手机充电器到大型发电机，在各种应用中，变压器都用于增加，降低和分离电压。尽管这些电气设备具有非常简单的结构，但优化其性能可能具有挑战性，因为它涉及磁和电场的耦合，铁磁材料的行为等。为了分析这些效果，设计变压器的工程师可以使用COMSOL®软件。

变压器：增加，降低和隔离电压

有三种主要类型的变压器类型，每种都提供不同的功能：

1. 加速变压器增加电压
2. 降压变压器降低电压
3. 统一变压器隔离电压

由于这些能力，每种类型的变压器都具有广泛的应用。例如，大型升级变压器增加了电厂产生的电压，以便可以在长距离内发送，而通常在微波炉和不间断的电源系统中发现较小的版本。降低的变压器用于手机充电器，焊接和电视。同时，Unity Transformers对于满足安全法规很重要，甚至对于某些医疗诊断设备来说是法律要求。统一变压器还用于测试电子设备，向高处高高的设备供电（例如无线电天线桅杆上的空中交通警告灯），并减轻水下海洋应用中的电流腐蚀。

用于尼亚加拉瀑布（Niagara Falls）的亚当斯发电厂变压器房屋的变压器，该房屋建于1895年。在美国的公共领域图像通过Wikimedia Commons。

变压器如何工作？

变压器有许多不同的用途，但是它们的基本设计和操作保持不变。它们通常由以下组件组成：

• 铁磁芯，称为e-，i-，u-，l-，toroidal，锅或平面岩心，具体取决于其形状
• 初级和次级线圈，也称为绕组

当设备连接到两个（或更多）电路时，它会通过电磁感应传输电流。主绕组接收电流，变化产生磁场。基于绕组中的转弯之比，该磁场然后在次级线圈中产生较高，较低或相等的电压，从而使其成为转弯比升级，踩踏和统一变压器之间的主要区别之一。

核心中的磁场耦合到绕组中的电流，用于统一变压器。

为了提高变压器的效率，工程师需要分析许多不同的因素，例如核心的铁磁行为（包括电阻和磁饱和度），磁场和电场之间的耦合以及绕组的数量。使用电磁模拟，他们可以使用comsolMultiphysics®软件和附加AC/DC模块。在下一部分中，您可以查看一个具有两个不同回合比率的变压器示例：统一变压器的1：1，而对于降压变压器，1000：1。

提示：如果您喜欢观看视频，我们建议您这样做变压器模拟演示。

用AC/DC模块对变压器进行建模

这两个变压器模型以相同的方式设置（转弯比）。有两个由铁制成的电子核，绕组缠绕在中腿上，如下所示。将绕组如此近（例如在单独的腿上）放置在一起有助于增加磁耦合，从而提高变压器的效率。为了轻松建模这些绕组，您可以使用内置线圈特征。请注意，在这里，假定绕组是由极度细的电线制成的，其深度比皮肤深度薄。

电子核变压器的几何形状。

在对铁芯进行建模时，您可以使用B-H曲线（磁通量密度与磁场强度）的效果磁场界面。添加此曲线有助于捕获铁的非线性行为，使您能够评估关键因素，例如：

• 磁场和电场的分布
• 变压器的瞬态响应
• 磁通量泄漏

要简化分析，您可以参数化关键设计因素，从而使其易于更改和优化。例如，对输入电压的参数化简化了确保绕组数量适合电压的过程。该模型中的其他参数包括线频率（通常为50 Hz或在这种情况下为60 Hz）；转弯数量;和线圈电阻。

另外，您可以探索磁饱和的效果，该磁饱和度决定了变压器芯中的最大磁通量密度。由于这对性能至关重要，因此饱和度最终会限制核心的较小，从而影响成本。（最小尺寸限制是为什么您总是看到用于高功率应用的大型变压器，例如发电厂。）

虽然我们没有详细介绍如何要在此博客文章中建模变压器，您可以在电子核变压器教程在应用程序库中。请注意，借助Comsol访问帐户和有效的软件许可证，您还可以为此示例下载MPH文件。

检查统一和降低的变压器设计

首先，您可以在50毫秒时评估Unity Transformer设计。正如动画所示，芯中的产生的磁通量足以在绕组中诱导电压和电流，这表明可以实现电磁感应。这些结果不仅很重要，看看设计是否成功传输了输入电压，而且还可以提供平衡变压器性能与其尺寸和成本所需的见解。

磁通量密度和芯和绕组中的电流。

仔细观察两个线圈，您可以看到，正如预期的那样，由于转弯比相等，电压是相等的。尽管电流（如下所示）略有不同，但这并不奇怪，因为诱发了次级线圈中的电流。

统一变压器的主要（左）和次级（右）绕组中的电流。

转到降落的变压器，您会看到这种设计成功地降低了1000倍（从25,000 V到25 V）。

降压变压器的主（左）和次级（右）绕组中的感应电压。

如上所述，您可以通过模拟评估不同类型的变压器的性能，准确地考虑电磁和铁磁效应。使用这些结果，工程师可以改善变压器设计的性能，将其优化为特定应用程序。

下一步

自己尝试：通过单击下面的按钮下载电子核变压器教程。这样做将带您到应用程序库，您可以在其中找到该模型的文档和MPH文件。

您也可以访问更高级的三相动力变压器模型这说明了如何计算3D和2D-轴对称变压器中的电磁量和损耗。

进一步的资源

• 观看变压器模拟演示变压器设计：多物理方法视频
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