【正文】 分布電容(uF)初級(jí)匝數(shù)78磁心截面積()35*3635*31次級(jí)繞組層數(shù)234234磁心高度A(mm)371276232397294240磁心寬度B(mm)133146159123136149繞組高度h(mm)263239263239體積()589257676136596358306080鐵損(w)169137124154124110銅損(w)156177215174196238總損耗(w)324314339328320348磁心重量(kg)繞組重量(kg)總重量(kg)溫升()444445464648漏感(uH)分布電容(uF)初級(jí)匝數(shù)456磁心截面積()45*4840*4440*37次級(jí)繞組層數(shù)234234234變壓器內(nèi)徑(mm)12085671481047917612095變壓器外徑(mm)318310317338320321352322323繞組高度h(mm)263239263239263239體積()764482269641819284039511889184899608鐵損(w)230208202208182172190159151銅損(w)101117142119138167137157192總損耗(w)331325344327319339328317342磁心重量(kg)繞組重量(kg)總重量(kg)溫升()333334323233313234漏感(uH)分布電容(uF)初級(jí)匝數(shù)78磁心截面積()35*3635*31次級(jí)繞組層數(shù)234234變壓器內(nèi)徑(mm)204139107229157120變壓器外徑(mm)379339334394348336繞組高度h(mm)263239263239體積()969589449805904794129953鐵損(w)179146135164133120銅損(w)156177215174196238總損耗(w)334323350339329358磁心重量(kg)繞組重量(kg)總重量(kg)溫升()303234303235漏感(uH)分布電容(uF)通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同的繞組結(jié)構(gòu)下，隨著繞組匝數(shù)的增多，變壓器鐵損逐漸減小，銅損逐漸增大；在鐵損、銅損近似相等時(shí)，變壓器總的損耗最小，效率最高；變壓器漏感和分布電容均隨匝數(shù)的增多而增大；在繞組匝數(shù)相等，次級(jí)繞組層數(shù)增多時(shí)，由于繞組平均匝長(zhǎng)變大，同樣使得銅損增大，鐵損減?。浑S繞組層數(shù)的增多，漏感逐漸增大，分布電容逐漸減小，可見(jiàn)在相同變壓器匝數(shù)下，同時(shí)減小漏感和分布電容是互相矛盾的。對(duì)于矩形磁心，初級(jí)繞組取6匝，次級(jí)繞組分三層繞制時(shí)，變壓器整體體積最小，鐵損銅損最為接近，總損耗最小，變壓器效率最高，分布電容較?。煌瑯訉?duì)于環(huán)形磁心，初級(jí)繞組取6匝，次級(jí)繞組分三層繞制時(shí)，變壓器體積較小，損耗最低，變壓器效率最高。在相同的繞組匝數(shù)和結(jié)構(gòu)下，矩形變壓器與環(huán)形變壓器相比，損耗小，重量輕，同時(shí)由于散熱面積較小。通過(guò)上述分析，可見(jiàn)在相同的變壓器功率容量下，矩形磁心較環(huán)形磁心結(jié)構(gòu)更為緊湊，其原因可歸結(jié)為兩方面：一是環(huán)形變壓器不可避免地占用一部分磁心用于固定變壓器，而矩形變壓器可利用下側(cè)磁心用于固定變壓器；二是環(huán)形變壓器繞組內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度限制了磁心窗口的利用率，使得變壓器中心冗余空間較大，而矩形變壓器磁心窗口的利用率則不受繞組長(zhǎng)度的影響。同時(shí)矩形變壓器損耗和重量均較后者小，因此更易實(shí)現(xiàn)變壓器的高效率，小型化和輕量化。第4章 基于ANSYS的高頻變壓器仿真研究 有限元法及ANSYS簡(jiǎn)介 有限元法簡(jiǎn)介有限元法(finiteelementmethod，F(xiàn)EM)是從20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值計(jì)算方法。它首先成功應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，上世紀(jì)70年代在Winslow、Chari、Silvester、Zienkiewicz等人的努力下，便迅速?gòu)V泛地被用于求解電磁場(chǎng)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元法的優(yōu)點(diǎn)是解題能力強(qiáng)，可以比較精確地模擬各種復(fù)雜的曲線(xiàn)或曲面邊界，網(wǎng)格的劃分比較隨意，可以統(tǒng)一處理多種邊界條件，離散方程的形式規(guī)范，便于編制通用的計(jì)算程序[42][43]。有限元法進(jìn)行分析計(jì)算的思路和作法可歸納如下：1. 物體離散化將某個(gè)物理系統(tǒng)離散為各種單元組成的計(jì)算模型，即單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等可視問(wèn)題的性質(zhì)和計(jì)算精度而定。2. 單元特性分析物理系統(tǒng)離散后，信息通過(guò)單元之間的公共節(jié)點(diǎn)傳遞。節(jié)點(diǎn)是空間中的坐標(biāo)位置，具有一定的自由度(Degree of Freedom, DOF)和存在相互物理作用。自由度用于描述一個(gè)物理場(chǎng)的響應(yīng)特性，有限元法僅僅求解節(jié)點(diǎn)處的自由度值。為得到單元內(nèi)所有點(diǎn)處的DOF值，需進(jìn)行分片插值，即將分割單元中任意點(diǎn)的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值展開(kāi)，即建立一個(gè)線(xiàn)性插值函數(shù)。單元形函數(shù)是一種數(shù)學(xué)函數(shù)，規(guī)定了從節(jié)點(diǎn)DOF到單元內(nèi)所有點(diǎn)處的DOF值的計(jì)算方法。單元形函數(shù)與真實(shí)工作特性吻合的好壞程度直接影響求解精度。3. 單元組集利用相關(guān)理論和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連結(jié)起來(lái)，形成整體的有限元方程。4. 求解節(jié)點(diǎn)的未知量通過(guò)上述分析，可以看出，有限單元法的基本思想是“一分一合”，分是為了進(jìn)行單元分析，合則是為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。 ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS軟件誕生于1970年，是由美國(guó)ANSYS公司采用有限元算法開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的分析軟件，發(fā)展到現(xiàn)在已成為一個(gè)大型通用有限元設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)分析、熱分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等。其許多功能在全球范圍內(nèi)得到認(rèn)同，在各個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前最新版本為ANSYS [44][45][46]。ANSYS的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：1. 唯一能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件。 2. 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理，求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA軟件。3. 唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的FEA軟件。4. 強(qiáng)大的非線(xiàn)性分析功能。5. 多種求解器分別適用于不同的問(wèn)題及不同的硬件配置。6. 強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行。7. 多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。8. 良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境。ANSYS主要包括三個(gè)部分：通用前處理模塊(PREP7)，求解模塊(SOLUTION)和后處理模塊(POSTPOST26)。1. 通用前處理模塊(PREP7)前處理用于定義求解所需的數(shù)據(jù)。用戶(hù)可選擇坐標(biāo)系統(tǒng)和單元類(lèi)型、定義實(shí)常數(shù)和材料的特性、建立實(shí)體模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分、控制節(jié)點(diǎn)和單元、以及定義耦合和約束方程。軟件提供了100種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。前處理中建立模型和網(wǎng)格剖分是最主要的兩部分內(nèi)容。 ANSYS提供了廣泛的模型生成功能，用戶(hù)可以快捷的建立實(shí)際工程系統(tǒng)的有限元模型。主要的建模方法有兩種：實(shí)體建模和模型導(dǎo)入。其中實(shí)體建模是利用軟件自帶的功能建立模型，允許用戶(hù)直接同模型的幾何特性打交道，具體可分為自頂向下和自底向上兩種；模型導(dǎo)入是指軟件提供了強(qiáng)大的與多數(shù)CAD軟件的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，AutoCAD，SolidWorks，NASTRAN， Alogor，I－DEAS等，這樣用戶(hù)就可以用自己熟悉的CAD系統(tǒng)建立好模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析。ANSYS提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能，包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶(hù)將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。自由網(wǎng)格劃分功能十分強(qiáng)大，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶(hù)對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來(lái)的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是指程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶(hù)定義的值或達(dá)到用戶(hù)定義的求解次數(shù)。2. 求解模塊SOLUTION在前處理階段完成建模后，用戶(hù)可在求解階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，并具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。3. 后處理模塊POST1和POST26后處理過(guò)程包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。其中POST1模塊可對(duì)前面的分析結(jié)果以圖形形式顯示和輸出，可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示，立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出；POST26模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子部歷程中的結(jié)果，可繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其他量變化的曲線(xiàn)，有助于形象化地表示分析結(jié)果。本文中的模擬分析用到了ANSYS中的低頻電磁場(chǎng)分析、熱分析和流體分析模塊。 高頻變壓器的仿真研究高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)漏感、分布電容和溫升等關(guān)鍵參數(shù)的值，這些參數(shù)的獲取，可通過(guò)解析法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值仿真三種。其中解析法通過(guò)解析或經(jīng)驗(yàn)公式，可對(duì)少量規(guī)則磁心和繞組結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)和溫升進(jìn)行近似計(jì)算，其缺點(diǎn)是誤差較大，且無(wú)法處理復(fù)雜的變壓器結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法最為準(zhǔn)確，然而需要經(jīng)過(guò)繁雜費(fèi)時(shí)的測(cè)試，并受到實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)試手段的限制，而且通過(guò)這種方法對(duì)分布參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，需要消耗大量的時(shí)間和成本；相對(duì)前兩種方法，數(shù)值仿真能夠處理復(fù)雜的變壓器結(jié)構(gòu)，提高了計(jì)算準(zhǔn)確度，并可以方便地調(diào)整變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸，使得其分布參數(shù)和溫升值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，縮短了設(shè)計(jì)研制周期，降低了成本，因此本文對(duì)高頻變壓器的漏感、分布電容和溫升進(jìn)行了仿真研究。 高頻變壓器漏感的仿真研究，諧振式變換器可將變壓器分布參數(shù)作為諧振參數(shù)，因此這種工作模式下，需要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)變壓器漏感和分布電容值。例如在某大功率開(kāi)關(guān)電源的研制中，由于電源系統(tǒng)采用諧振式變換器，可以完全吸收變壓器漏感作為諧振電感，為此我們分別設(shè)計(jì)了四組變壓器，通過(guò)不斷調(diào)整磁心結(jié)構(gòu)和繞組匝數(shù)，使漏感滿(mǎn)足諧振電感的設(shè)計(jì)要求。四組變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：第1組：磁心尺寸為40*45*70*80 mm4，初級(jí)繞組8匝，次級(jí)繞組612匝，分四段繞制，每段分9層，每層17匝；初級(jí)繞組距磁心前后側(cè)7mm，距磁心左右側(cè)3mm；初次級(jí)繞組間距5mm，次級(jí)每段繞組高度為25mm，厚度為14mm。第3組：磁心尺寸為40*45*100*100 mm4，初級(jí)繞組為11匝，次級(jí)繞組700匝，分四段繞制；初級(jí)繞組距磁心前后側(cè)7mm，距磁心左右側(cè)3mm；初次級(jí)繞組間距10mm，次級(jí)每段繞組高度為35mm，厚度為13mm。第4組：磁心尺寸為40*45*100*100 mm4，初級(jí)繞組12匝，次級(jí)繞組840匝，分四段繞制；初級(jí)繞組距磁心前后側(cè)7mm，距磁心左右側(cè)3mm；初次級(jí)繞組間距10mm，次級(jí)每段繞組高度為33mm，厚度為13mm。由于變壓器初級(jí)繞組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而ANSYS本身的對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模操作較為繁瑣，因此變壓器磁心和初級(jí)繞組的實(shí)體模型通過(guò)Solidworks軟件建立，然后再導(dǎo)入ANSYS中。同時(shí)仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，建立初級(jí)繞組全部模型后，仿真需要大量的內(nèi)存和磁盤(pán)空間，仿真時(shí)間較長(zhǎng)。為提高效率，對(duì)變壓器的初級(jí)繞組建立了1/2模型。其中第4組磁心及初級(jí)繞組的實(shí)體模型分別如圖442所示。由于采用自由網(wǎng)格劃分，考慮到空氣區(qū)域的大小對(duì)繞組附近網(wǎng)格數(shù)的影響，建立了兩層空氣區(qū)域，其中內(nèi)層空氣緊緊包圍磁心和繞組，外層空氣包圍內(nèi)層空氣，變壓器整體模型如圖43所示。圖41 第1組變壓器實(shí)體模型圖42 第4組變壓器實(shí)體模型 圖43 變壓器整體模型利用ANSYS中LMATRIX宏命令進(jìn)行仿真，可得四組變壓器初次級(jí)繞組的自感值和它們之間的互感值，結(jié)果見(jiàn)表41。 表41 四組變壓器初次級(jí)繞組的自感和互感值變壓器初級(jí)