COMSOL 博客

通过电磁学仿真评估变压器设计

2018年 10月 25日

从微型手机充电器到大型发电机，变压器被广泛应用在各类电气设备中，用于升高、降低和隔离电压。虽然这些电气设备的结构非常简单，但是对它们的性能进行优化依然充满挑战性，因为涉及考虑磁场和电场的耦合、铁磁材料的特征，等等。为了找出这些影响，工程师在设计变压器时可以使用 COMSOL^®软件进行建模和分析。

变压器：升压、降压与隔离电压

有三种主要类型的变压器，每种类型都有不同的功能：

升压变压器用于提高电压
降压变压器用于降低电压
隔离变压器用于隔离电压

由于变压器具备这些功能，每种类型的变压器都有着广泛的应用。例如，大型升压变压器可以提高发电厂产生的电压，以便远距离传输；小型升压变压器通常被用于微波炉和不间断电源系统；降压变压器被用于手机充电器、焊接和电视。同样，隔离变压器在满足安全法规方面起着重要的作用，甚至是一些医疗诊断设备的法律要求。隔离变压器还可用于测试电子设备、为高处的设备供电（例如无线电天线桅杆上的空中交通警告灯），以及减轻水下设备中的电腐蚀。

发电厂变压器的照片
用于尼亚加拉瀑布的亚当斯发电厂变压器室的变压器，建于 1895 年。图片在美国通过Wikimedia Commons公开。

变压器如何工作？

变压器有许多不同的用途，但它们的基本设计和结构相似，通常由以下组件组成：

铁芯，通常被称为 E型、I型、U型、L型、环形、罐式或平面铁芯，具体取决于铁芯的形状
原边和副边线圈，也称为绕组

当设备连接到两个（或更多）电路时，通过电磁感应传输电流。原边绕组接收电流，交变的电流产生磁场。根据绕组的匝数比，该场在副边线圈中产生更高、更低或相等的电压，从而使匝数比成为升压、降压和隔离变压器之间的主要区别之一。

显示铁磁芯中磁场的图像，这是变压器设计的一个重要考虑因素
隔离变压器，铁芯中的磁场与绕组中的电流耦合

为了提高变压器的效率，工程师需要分析许多不同的因素，例如铁芯的铁磁特性（包括电阻和磁饱和）、磁场和电场之间的耦合以及绕组匝数。使用COMSOL Multiphysics^®软件和 AC/DC 模块，可以进行电磁仿真。在下一节中，我们将研究一个具有两种不同匝数比的变压器示例：隔离变压器的匝数比为 1:1，降压变压器的匝数比为 1000:1。

提示：如果您希望观看视频，我们推荐这个变压器仿真演示视频。

使用 AC/DC 模块模拟变压器

这两种变压器模型的设置方式相同（除了匝数比以外）。如下图所示的变压器模型，有两个铁制的 E 型铁芯，绕组绕在中柱上。将绕组放置得如此近（而非绕于不同柱）有助于增加磁耦合，从而提高了变压器的效率。为了更方便地地对绕组进行建模，我们可以使用 COMSOL 内置的线圈特征。请注意，这里假设绕组由极细的导线制成，导线线径小于集肤深度。

E 芯变压器模型的示意图
E 型铁芯变压器的几何形状。