浅析Maxwell电子变压器电磁损耗漏磁铜耗和EMI仿真

文摘 2024-11-20 07:31 上海

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作者 | 李岩冰仿真秀优秀讲师

首发 | 仿真秀App

导读：电子变压器作为电力电子技术与电磁感应原理的结晶，是现代电力系统中不可或缺的能量传递与电力变换装置。近年来，电子变压器主要朝着高效节能、智能化、小型化和定制化的路线发展，为了满足不同应用场景的使用，需要针对变压器设计中的重难点工作详细剖析以更好地对产品进行设计优化。

本文以电子变压器电磁设计为例，讨论设计中的重难点问题及解决方案。11月21日20时，2024电磁设计仿真创新技术系列报告会第二期，笔者受邀做《Maxwell电子变压器电磁设计与EMI浅析》线上报告会，感兴趣的用户可以点击文末阅读原文报名，支持反复回看。

一、绕组电磁设计

绕组是电子变压器的核心部分，其设计直接关系到变压器的性能和使用效果。绕组设计的重难点包括：

1.匝数、线径和层数的确定：根据应用场景和要求，精确计算出合适的匝数、线径层数，以保证变压器的电压变换比、电流输出能力和损耗等性能参数满足要求。

2.绕组绕制方式：电子变压器的绕组绕制方式多种多样，包括层式绕组、饼式绕组、箔式绕组、螺旋式绕组等。每种绕制方式都有其独特的优点和适用场景，但也存在相应的设计难点。在保证机械强度与散热效果的前提下，减少空间漏磁便是电磁设计的核心要务。

3.绕组铜耗：频率较高的漏磁场在金属导体中产生趋肤效应与临近效应，进而大大的增加了绕组铜耗。如何在绕组设计与空间漏磁优化中进行平衡，是绕组设计的难点。

二、传导干扰

在复杂的电磁环境中，绕组的杂散参数对信号的传导造成了至关重要的影响，信号流经分布式的杂散参数网络时由于非线性电路影响使信号产生畸变，在回路中产生差模与共模信号，对电路造成危害。GB/T 17626系列国标中对传导干扰测试方法进行了详细的说明，但为了研究传导干扰产生的机理，在测试前预判可能产生的问题并进行整改，则需要借助数值仿真的手段进行分析。

三、电子变压器电磁仿真工具

电子变压器的电磁仿真分析可以采用下图所示的ANSYS工具进行仿真。PExprt为电感与电子变压器磁路法设计工具，其中包含丰富的厂商定制磁芯、导线和材料库，用户可以根据磁路法快速进行设计并支持一键导出Maxwell有限元模型，用于精确的场分析。Maxwell则为二维与三维的低频电磁场分析工具，根据麦克斯韦方程组的弱化形式计算空间漏磁、绕组损耗、电容电感等参数。Simplorer是一款电路分析工具，可以将PExprt与Maxwell分析的部件结果映射到电路中，建立电路中额外的部分进行系统级计算。

1、PExprt与设计

磁芯设计

绕组设计

一键导出Maxwell分析模型

2、Maxwell与电磁场仿真

邻近效应与趋肤效应

空间磁场、损耗、电流、电压计算

3、Simplorer与系统级优化

PExprt耦合Simplorer进行系统级分析

4、EMI分析

无源器件建模

板卡寄生参数抽取

差模与共模信号分析

未来帮助读者朋好友更好的理解，欢迎大家关注笔者在仿真秀主办的2024电磁设计仿真创新技术视频讲解内容，详情见下文。

四、变压器电磁设计仿真创新讲座

电子变压器是众多电子设备和电力系统中不可或缺的关键部件，它主要用于电能的传输、转换与隔离等功能。在现代电子技术不断发展的背景下，电子设备朝着小型化、高频化、高功率密度化方向发展，这对电子变压器的性能提出了更高的要求。不仅需要其具有高效率、小体积、高可靠性等特性，还需要充分考虑其电磁兼容性，以减少对周围电子设备的电磁干扰（EMI）。传统的电子变压器设计方法往往依赖于经验公式和大量的实验测试，设计周期长且成本较高。而 Maxwell 软件作为一款强大的电磁仿真工具，能够有效地辅助电子变压器的电磁设计，并对其 EMI 特性进行深入分析，从而提高设计效率和质量。

11月21日20时（周四），2024电磁设计仿真创新技术系列报告会第二期我们将邀请电磁仿真应用工程师，仿真秀优秀讲师——李岩冰老师带来《Maxwell电子变压器电磁设计与EMI浅析》线上报告会，届时在仿真秀官网和APP同步直播，支持反复回看。以下是具体安排：

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