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。
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。
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 型铁芯变压器的几何形状。
在对铁芯进行建模时，我们可以使用 磁场 接口考虑 B-H 曲线（磁通密度与磁场强度的关系）的影响。添加这条曲线有助于得到铁芯的非线性特性，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
- 漏磁
为了简化分析，我们可以对关键设计参数进行参数化，以便于这些参数的更改与优化。例如，参数化的输入电压幅值可以简化绕组匝数与电压匹配的过程。该模型中的其他参数还包括频率（通常为 50Hz，在本例中为 60Hz）；匝数和线圈电阻。
此外，我们还可以研究磁饱和的影响，这决定了变压器铁芯中的最大磁通密度。由于磁饱和对变压器性能至关重要，磁饱和最终会限制铁芯的尺寸，从而影响成本。（最小尺寸限制是发电厂的大功率变压器体积为何如此庞大的原因。）
虽然我们没有在这篇博文中详细介绍如何对变压器建模，但我们可以在COMSOL案例库中的E 型铁芯变压器教程中找到详细的分步说明。请注意，使用 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证，可以下载这个示例的 MPH 文件。
检查隔离变压器和降压变压器的设计
首先，我们可以在 50 ms 时评估隔离变压器设计。如下面的动画所示，铁芯中产生的磁通量可在绕组中感应出电压和电流，这证明实现了电磁感应。这些结果不仅对于检查能否传输输入电压很重要，而且还可以为平衡变压器性能与其尺寸和成本提供理论依据。
铁芯中的磁通密度和绕组中的电流。
仔细观察这两个线圈，可以看到，正如预期的那样，由于匝数比相等，因此电压相等。虽然电流（如下所示）略有不同，但这并不奇怪，因为副边绕组中的电流是感应电流。
隔离变压器的原边（左）和副边（右）绕组中的电流。
再来观察降压变压器，可以看到这个设计成功地将电压降低了 1000 倍（从 25 000 V 到 25V）。
降压变压器的原边（左）和副边（右）绕组中的感应电压。
如上面的仿真结果所示，我们可以通过仿真评估不同类型变压器的性能，准确地考虑电磁和铁磁效应。利用这些结果，工程师还可以提升变压器的性能，并针对特定应用对其进行优化。
下一步
亲自尝试：单击下面的按钮下载 E 型铁芯变压器教程。您将进入 COMSOL “案例库”，您可以在其中找到此模型的文档和 MPH 文件。
您还可以访问更复杂的三相电力变压器模型，该模型演示了如何计算 3D 和 2D 轴对称变压器中的电磁参数和损耗。
更多资源
- 观看变压器设计：使用多物理场方法 视频中的变压器仿真演示
- 了解ABB 公司如何使用仿真将变压器噪声降至最小
- 了解如何模拟铁磁材料
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