關(guān)于繞線式變壓器CST-MW工作室3D建模和驗證方案

作者 |?希格斯玻色子?仿真秀優(yōu)秀講師

首發(fā) |?仿真秀App

導讀：大家好，我是仿真秀專欄作者——希格斯玻色子。2023年達索系統(tǒng)全球冠軍計劃成員，資深電子工程師，蘇州重點產(chǎn)業(yè)緊缺人才。13年的硬件電路設計的工作經(jīng)驗，曾在三星電子，哈曼汽車系統(tǒng)從事硬件設計研發(fā)的工作，有三項實用新型專利和一項發(fā)明專利。

一、寫在文前

2023年7月，經(jīng)朋友推薦在仿真秀分享自己的原創(chuàng)文章和CST電磁兼容仿真技術(shù)。它讓我驚訝的是，短短不到3個月，我的文章在仿真秀專欄獲得了不錯的閱讀量，大有超越公眾號閱讀量之勢，還引發(fā)了工程師的共鳴——仿真秀確實是一個我們工程師開展技術(shù)和內(nèi)容分享的優(yōu)秀平臺。如下文：

CST電磁兼容性仿真---IGBT的3D建模
天線系數(shù)AF(Antenna Factor)表達式的推導過程
CST電磁兼容性仿真的流程介紹(一）
基于CST的輻射發(fā)射仿真單桿天線建模取得突破

如今我也正式開通了在仿真秀技術(shù)服務（歡迎通過仿真秀聯(lián)系我，見文末），課程也在準備中，歡迎大家關(guān)注。今天我希望和工程師朋友分享自己新鮮出爐的文章——繞線式變壓器CST-MW工作室3D建模和驗證，如有不當，歡迎大家點擊文尾閱讀原文進入我專欄互動交流。

在3D建模方面，繞線式變壓器和平板式變壓器相比，繞線式變壓器的結(jié)構(gòu)更加復雜，匝數(shù)和股數(shù)較多，大尺寸部件(例如磁芯)和小尺寸部件共存(例如漆皮、膠帶)，漆皮的厚度往往非常薄。另外，由于部分導線較粗不便于機器繞制，存在手工繞制的環(huán)節(jié)，而手工繞制的牽線力度也會存在差異。這些差異都會直接帶來建模和仿真過程中的一系列問題，比如：較多的匝數(shù)、繞組的環(huán)形形狀和較薄的絕緣材料會大大增加仿真時間，所以需要考慮減少仿真時間的問題；非常薄的漆皮材料往往會增加網(wǎng)格剖分的難度，仿真效率低或無法進行；機器繞制和手工繞制都有可能引入一致性問題，比如：非均勻的繞組匝間距和非均勻的層間距。為了獲得準確的3D模型并進一步得到等效電路模型，需要重點考慮上述問題。

圖2.13表示CST-MW工作室中繞線式變壓器的建模流程圖。和平面變壓器的建模流程相比，繞線式變壓器需要重點考慮其三維模型。

圖1.13 CST-MW工作室繞線變壓器建模流程

二、導線建模

1、先確定所用的導線的線徑和繞制方法

作者這里選取0.5線徑的導線，一根導線模型如下圖2所示。

圖2.一根導線模型

導線的長度與實際所選磁芯有關(guān)。這里選取EFD30磁芯，它的中柱長約為16mm，寬約為7mm，所以選取導線的長度為16.1mm，寬為7.1mm。連接處使用CST里面loft功能進行連接。

等間距復制這根導線，得到第一層導線模型。如圖3所示

圖3.第一層導線模型

最后根據(jù)第一層建模方法，畫出其他層導線模型。最終導線模型如圖4所示.

圖4.最終導線模型

2、磁芯導入

根據(jù)實際選取的磁芯導入磁芯模型，作者這里選用EFD30磁芯。如圖5所示。

圖5.磁芯模型

根據(jù)廠家所給磁導率，設置磁芯材料參數(shù)。如圖6、圖7所示。

圖6.廠家磁導率參數(shù) ?

圖7.實際擬合所用磁導率

3、最終模型

最終變壓器模型如圖8所示：

圖8.變壓器模型

三、繞線式變壓器3D建模層間材料處理

若按照實際情況分區(qū)域繪制繞線式變壓器，即按照實際尺寸繪制出漆皮、絕緣膠帶等，那么由于材料非常薄，存在非常近的臨近接觸面，很容易導致剖分失敗報錯，且大大增加了仿真模型的復雜程度和難度。因此對于較薄的漆皮和層間絕緣膠帶部分，在定義它們的介電常數(shù)時，考慮采取合理近似的方法將其轉(zhuǎn)化為同一種物質(zhì)。

圖9虛線框中包圍的部分表示待等效介電常數(shù)的區(qū)域。其中漆皮和絕緣膠帶的相對介電常數(shù)εr為3，空氣的相對介電常數(shù)εair為1。用Vins表示該區(qū)域內(nèi)絕緣材料的體積，用Vair表示不規(guī)則形狀空氣的體積。該區(qū)域等效的相對介電常數(shù)可以表示為：

圖9繞線變壓器待等效介電常數(shù)的區(qū)域

在繪制繞線變壓器3D模型的過程中，還需要考慮它的層間誤差問題。圖10(a)表示變壓器匝間和層間絕緣結(jié)構(gòu)最理想的情況，兩匝繞組線匝排布整齊，層間絕緣膠帶和繞組的漆皮相切。但是由于膠帶產(chǎn)生不平整的弧度等原因，實際的結(jié)構(gòu)如圖10(b)所示。層間距的誤差一般難以測得，但是可以通過測量外直徑的方法間接得到。

1、首先以理想的繞組直徑、漆皮厚度、絕緣膠帶厚度可以理論計算得到繞組的外直徑，但這一理論值小于游標卡尺實際測得的數(shù)值，兩者之間的誤差即為該變壓器所有層間距的誤差之和。

2、其次，可以假設該誤差來源于層疊膠帶的不平整現(xiàn)象引入的空氣，若膠帶層數(shù)越多則誤差越大，因此可以將這一誤差平均至每一層膠帶上，從而可以得到單層誤差。

3、最后在繪制三維模型時，根據(jù)膠帶層數(shù)確定層間距誤差。以圖11所示的情況為例，兩匝繞組之間纏繞兩層膠帶，則三維模型的層間距為兩層漆皮和兩層含有誤差的膠帶厚度之和。

圖10繞線變壓器繞組匝間和層間絕緣結(jié)構(gòu)

圖11層間誤差處理

四、繞線式變壓器3D電磁仿真與驗證

圖12表示帶有輔助繞組和屏蔽繞組的繞線式變壓器示意圖，其中圖12(a)表示其原理圖，圖12(b)表示其剖面圖，該變壓器具有夾繞、并聯(lián)等特點。樣品變壓器選用的磁芯型號為DMR95，磁芯的中柱氣隙0.2mm。原邊繞組共42匝，副邊繞組4匝，輔助繞組9匝且采用兩股并繞，屏蔽繞組E1和E2分別為10匝和6匝。以該變壓器為例，進行繞線式變壓器3D電磁仿真模型的仿真與實測對比驗證。

圖13表示CST軟件中繪制的3D仿真模型。根據(jù)上述分析和推導可知，該變壓器的等效介電常數(shù)為2.62，需要考慮的單層誤差為0.011mm。由于該變壓器的原邊端子距離較遠，Port1不便于直接焊SMA頭。因此考慮采用多孔板并添加引線，以增強連接網(wǎng)絡分析儀時的穩(wěn)定性。需要注意的是，測量引入的額外接線需要在繪制3D模型時有所體現(xiàn)。圖14表示實際測量時被測對象的示意圖。圖中標注了多孔板上Port1和Port2的位置以及所對應的變壓器的端口位置。

?圖12帶有輔助和屏蔽繞組的繞線變壓器

圖13繞線式變壓器3D模型

圖14實際測量時的被測對象

圖15表示繞線式變壓器的共模S21參數(shù)仿真和實測的對比結(jié)果。在150kHz-100MHz之間，仿真與實測結(jié)果吻合度較好，各諧振峰值點處最大誤差小于3dB。表2.1給出了關(guān)鍵頻點處(100kHz、諧振峰值1和諧振峰值2)的CST-MW工作室仿真和實測對應頻率處幅值的對比和偏差。