應(yīng)用于LLC變換器中平面型非整數(shù)匝變壓器

)如圖3.5所示，非整數(shù)匝變壓器的總損耗與邊柱張角之間存在一定的關(guān)系，并且占地面積和總損耗成反比關(guān)系。這意味著，隨著占地面積的增大，功率密度會(huì)下降，從而可以降低總損耗。因此，在進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)過程中，必須在功率密度和效率之間進(jìn)行折中優(yōu)化。根據(jù)目標(biāo)可知，在占地面積大于一定數(shù)值后，損耗下降的趨勢(shì)會(huì)變得緩慢，因此可以通過優(yōu)化變壓器的占地面積來實(shí)現(xiàn)最佳效果。在本設(shè)計(jì)中，選擇變壓器的占地面積為1225mm2，即在最佳效率和功率密度之間進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。圖3.5非整數(shù)匝變壓器的總損耗與邊柱張角關(guān)系表3-1列出了占地面積為1225mm2時(shí)，邊柱張角α分別為25°、35°和45°時(shí)中柱磁通密度Bm和損耗的參數(shù)。在變壓器設(shè)計(jì)中，隨著邊柱張角α的增大，磁芯面積增大，導(dǎo)致中柱磁通密度Bm隨之減小，從而磁芯損耗減小。但這樣會(huì)導(dǎo)致繞組線徑減小，交流電阻增加，繞組損耗增加。因此，在變壓器設(shè)計(jì)中需要在繞組損耗和磁芯損耗之間進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。如圖3.6所示，是非整數(shù)匝變壓器占地面積為1225mm2時(shí)，繞組損耗、磁芯損耗和總損耗隨邊柱張角的分布關(guān)系圖。可以看出，總損耗的曲線呈現(xiàn)拋物線形狀，當(dāng)邊柱張角α為36°時(shí)，總損耗最小，為9.52W。通過這些參數(shù)，可以計(jì)算出圖3.6中非整數(shù)匝變壓器磁芯的各個(gè)參數(shù)。這種表述方式可以更好地理解變壓器設(shè)計(jì)中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，為制造優(yōu)化提供指導(dǎo)。

表3-1不同邊柱張角下的變壓器特征參數(shù)25354559.246.738.1繞組損耗(W)4.695.847.48磁芯損耗(W)5.843.702.50總損耗(W)10.539.549.98圖3.6固定占地面積下?lián)p耗與邊柱張角關(guān)系根據(jù)3.3節(jié)內(nèi)容綜合所述，非整數(shù)匝變壓器的最佳排布方式是采用副邊同電勢(shì)端合并的交錯(cuò)排布結(jié)構(gòu)。在考慮功率密度和效率的折中權(quán)衡后，確定了非整數(shù)匝變壓器占地面積為1225mm2和邊柱張角為36°時(shí)總損耗最小，并從而確定了非整數(shù)匝變壓器的各個(gè)參數(shù)。上述參數(shù)可以通過表3-1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并用于圖3.4中設(shè)計(jì)非整數(shù)匝變壓器的磁芯。

仿真與分析本章節(jié)使用ANSYS公司的Maxwell、Workbench和Simplorer電熱磁仿真軟件對(duì)非整數(shù)匝變壓器進(jìn)行仿真分析。ANSYS仿真原理ANSYSMaxwell是一個(gè)強(qiáng)大的電磁場(chǎng)仿真軟件，可用于解決電磁場(chǎng)、電機(jī)、電器和傳感器等各種問題。它基于有限元分析（FEA）技術(shù)，可以預(yù)測(cè)電磁場(chǎng)中物體的行為和性能。該軟件支持多個(gè)電磁場(chǎng)模型，包括靜電場(chǎng)、電磁感應(yīng)、磁力學(xué)等等。此外，它還提供了許多工具和功能，如模型創(chuàng)建、導(dǎo)入和導(dǎo)出文件、分析結(jié)果可視化等，使用戶能夠更好地分析電磁場(chǎng)問題。ANSYSMaxwell仿真包括：磁場(chǎng)仿真和靜電場(chǎng)仿真。磁場(chǎng)仿真磁場(chǎng)仿真是一種電磁場(chǎng)仿真技術(shù)，用于預(yù)測(cè)磁場(chǎng)中物體的行為和性能。它可以幫助工程師和科學(xué)家設(shè)計(jì)和優(yōu)化各種設(shè)備，如電磁驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、磁鐵和傳感器等。在磁場(chǎng)仿真中，通常采用有限元分析（FEA）技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行建模和分析。模型通常包括磁場(chǎng)的邊界條件、材料屬性、幾何形狀等信息，這些信息可以在仿真軟件中設(shè)置。仿真軟件將模型分解為許多小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間都通過方程來描述其磁場(chǎng)狀態(tài)。在求解過程中，這些方程被轉(zhuǎn)換成代數(shù)形式，并通過線性算法求解，以得到給定條件下的磁場(chǎng)分布。用戶可以使用仿真軟件分析和評(píng)估這些分布，以獲得有關(guān)磁場(chǎng)的信息，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、漏磁場(chǎng)、磁場(chǎng)分布等。磁場(chǎng)仿真的應(yīng)用廣泛，例如在電機(jī)設(shè)計(jì)和評(píng)估中，可以使用磁場(chǎng)仿真來預(yù)測(cè)電機(jī)的性能和效率。在磁鐵和傳感器設(shè)計(jì)中，可以使用磁場(chǎng)仿真來優(yōu)化其磁性特性。此外，在電磁兼容性測(cè)試中，磁場(chǎng)仿真也可以用于評(píng)估設(shè)備的磁場(chǎng)輻射和對(duì)外部磁場(chǎng)的抗擾性。靜電場(chǎng)仿真靜電場(chǎng)仿真是一種用于預(yù)測(cè)電場(chǎng)中物體行為和性能的電磁場(chǎng)仿真技術(shù)。與磁場(chǎng)仿真不同的是，它主要關(guān)注靜電場(chǎng)和電荷分布的影響和行為。在靜電場(chǎng)仿真中，使用有限元分析（FEA）技術(shù)來分析和控制靜電場(chǎng)問題。在建立模型時(shí)，需要考慮影響電場(chǎng)的物理屬性，如電荷的大小和分布、幾何形狀、與其它物體的邊界條件等。在求解問題時(shí)，通過方程式描述每一部分的電場(chǎng)狀態(tài)，然后將建模區(qū)域劃分成多個(gè)小單元，對(duì)每個(gè)小單元內(nèi)的方程式進(jìn)行求解。軟件會(huì)將方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，并使用各種求解器算法對(duì)方程組進(jìn)行求解。在得到電場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果后，可以對(duì)模型進(jìn)行分析和評(píng)估，以了解電場(chǎng)中的變化和行為。靜電場(chǎng)仿真在工程學(xué)和科學(xué)中應(yīng)用廣泛，例如在電器和電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，可以使用該技術(shù)預(yù)測(cè)電荷和電場(chǎng)分布，以評(píng)估設(shè)備的性能和可靠性。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中，可以利用靜電場(chǎng)仿真來設(shè)計(jì)和優(yōu)化電荷或電場(chǎng)刺激裝置，以應(yīng)對(duì)身體不適或缺陷。電磁聯(lián)合仿真ANSYS聯(lián)合仿真包括Maxwell和Simplorer進(jìn)行電磁仿真以及Maxwell和Workbench進(jìn)行熱磁仿真。電磁仿真主要分為三個(gè)步驟，包括在Simplorer中搭建電路模型，將變壓器模型導(dǎo)入Simplorer中，然后進(jìn)行仿真求解。電磁仿真能夠更加精確地模擬變壓器的工作情況，提高預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度。為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的非整數(shù)匝變壓器的繞組結(jié)構(gòu)是否能夠?qū)崿F(xiàn)磁通平衡，并驗(yàn)證其原邊繞組與副邊繞組的匝數(shù)比是否符合理論推導(dǎo)，需要進(jìn)行電磁聯(lián)合仿真。使用Maxwell3D瞬態(tài)場(chǎng)求解器進(jìn)行仿真，將激勵(lì)方式改為外電路（ExternalCircuit）后，軟件會(huì)自動(dòng)將原邊繞組和副邊繞組建模為電感的結(jié)構(gòu)。其中LWinding1表示原邊繞組，LWinding2和LWinding3表示其中一對(duì)中心抽頭的副邊繞組。在原邊側(cè)加入值為58nF、頻率為1MHz、幅度為384V的方波發(fā)生器作為諧振電容；在副邊側(cè)，同步整流管被替換為二極管以方便控制，負(fù)載電阻為0.144Ω，以產(chǎn)生1kW的功率。此電路模擬了半橋LLC變換器的實(shí)際工作狀態(tài)。圖4.1外電路結(jié)構(gòu)圖4.2（a）和4.2（b）分別顯示了原邊繞組和副邊繞組的兩端電壓，兩者的電壓比為16:1。這表明盡管原副邊繞組是4:0.25的非整數(shù)匝比，它仍然能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)變壓器通常具有的整數(shù)匝比的功能。圖4.2（c）顯示了原副邊繞組中的電流。無論是在正半周期還是在負(fù)半周期內(nèi)，副邊繞組環(huán)路中的電流都能夠均勻地分布。這表明副邊并聯(lián)環(huán)路的寄生電阻和寄生電感誤差確實(shí)在很小的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)電流平衡造成明顯的影響。（a）原邊繞組兩端電壓（b）副邊繞組兩端電壓（c）原副邊繞組電流圖4.2非整數(shù)匝變壓器工作波形圖4.3展示了非整數(shù)匝變壓器磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖和矢量圖。磁感應(yīng)強(qiáng)度分布對(duì)稱均勻，表明中柱產(chǎn)生的磁通均勻地流向四個(gè)邊柱，說明該變壓器的繞組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磁通平衡。但是，由于曲率效應(yīng)，在中柱邊緣處磁力線分布密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大。在磁芯邊緣處，磁力線幾乎不到達(dá)，磁感應(yīng)強(qiáng)度很小。然而，四個(gè)邊柱的磁感應(yīng)強(qiáng)度大約在42~48mT之間，與計(jì)算得到的47.16mT非常接近。(a)云圖(b)矢量圖圖4.3非整數(shù)匝變壓器磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

總結(jié)與展望總結(jié)平面型非整數(shù)匝變壓器是一種新型的電力電子元器件，它可以廣泛應(yīng)用于LLC變換器中。相比于傳統(tǒng)的整數(shù)匝變壓器，在尺寸和重量上都有顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，非整數(shù)匝變壓器的繞組結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)磁通平衡，有效減少繞組中的損耗和不必要的串?dāng)_噪音。在LLC變換器中，平面型非整數(shù)匝變壓器的應(yīng)用可以顯著提高變換器的效率和性能。對(duì)于高頻應(yīng)用，非整數(shù)匝變壓器的較小尺寸可以帶來更好的散熱性能和更高的功率密度。同時(shí)，相比于整數(shù)匝變壓器，在非整數(shù)匝變壓器上省略了多余的匝數(shù)，還可以減少線圈電容和電阻，從而降低電路的損耗并提高效率。總之，平面型非整數(shù)匝變壓器是一種具有很大優(yōu)勢(shì)的新型電力電子元器件，廣泛應(yīng)用于LLC變換器中可以為電源電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供更優(yōu)秀的性能和能力。在未來的電力電子領(lǐng)域中，非整數(shù)匝變壓器將被視為一種重要而具有廣闊發(fā)展前景的電器設(shè)備。展望隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，非整數(shù)匝變壓器將進(jìn)一步被推廣和應(yīng)用于各種領(lǐng)域。在電力電子方面，非整數(shù)匝變壓器將是未來變換器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵元件。它可以使電路更加緊湊，更高效，更加可靠，從而實(shí)現(xiàn)更好的性能和能力。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，非整數(shù)匝變壓器將進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，在新能源、電動(dòng)汽車、通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。在新能源領(lǐng)域，非整數(shù)匝變壓器可以用于太陽能、風(fēng)能等分布式電源電站的電力轉(zhuǎn)換和逆變器中。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，非整數(shù)匝變壓器可以用于電動(dòng)汽車充電設(shè)備及驅(qū)動(dòng)電機(jī)變流器中。在通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，非整數(shù)匝變壓器可以用于高頻開關(guān)電源中。此外，隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，非整數(shù)匝變壓器的特性和性能將會(huì)得到進(jìn)一步的提高，同時(shí)也將更加環(huán)保和節(jié)能。因此，非整數(shù)匝變壓器是一個(gè)充滿潛力和前景的領(lǐng)域，未來有很大的發(fā)展空間和機(jī)遇。

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