基于Maxwell的开关型变压器电磁仿真分析—详细线圈模型

本文基于Maxwell软件，对开关型变压器进行电磁仿真，线圈采用实际绕线方式建模。结果仅供参考，不具有实际工程意义。

1 准备工作

1.1 指定求解环境

打开软件，选择Desktop→Maxwell→Maxwell 3D，进入3D求解环境。

1.2 指定求解类型

本例用涡流场分析变压器。右击工程管理窗口的Maxwell3DDesign1→Solution Type

在弹出的窗口中选择Eddy Current

2 建模

2.1导入外部三维模型

菜单栏选择Modeler→Import，导入stp或其他中间格式的三维模型文件。

2.2 Maxwell中建立三维模型（较复杂）

线圈详细模型在Maxwell中的建模过程较为复杂，此文档不详细讲述，附件提供模型文件。

注：磁芯模型可从外部导入，线圈模型建议在Maxwell中建立，便于模型识别和网格划分。

3 设置材料

在模型树中右击对象，选择Assign Materials，选择一种材料，如copper，点确定

设置好材料属性的模型树如下

4 设置求解域

在Draw菜单栏中点击Create Region

选择pad individual directions，线圈终端面与求解域边界重合，其他面向外扩展50mm，如下设置，默认单位为mm。

5 设置激励

5.1 指定线圈终端

选中线圈一个端面，右击，选择Assign Excitation→Coil Terminal

如果线圈是详细模型，即按线圈实际绕线方式建模，Number of Conductors设为1；如果线圈是简化模型，即多匝线圈简化为一个同心圆柱体，Number of Conductors设为线圈实际匝数。Swap Direction为电流方向，默认指向导体内部，对于流出的电流应手动修改电流方向。

每个线圈均有一进一出两个终端

5.2 指定原、副边绕组，设置激励

工程管理窗口，右击Excitations→Add Winding

激励类型有电流、电压和外部电路，Solid为实体单根导线，Stranded为利兹线，本例并联支路为1

同上建立副边绕组和激励

5.3 分配线圈终端

在Excitations下右击yuan_bian→Add Terminals，为绕组分配线圈终端

选择原边绕组的两个终端

同上，分配副边绕组的终端

最终激励设置如下

6 定义求解电感矩阵

在工程管理窗口，右击Parameters→Assign→Matrix，选择要求解的原副边绕组的矩阵

7 网格划分

选中所有几何体，在工程管理窗口右击Mesh→Assign Mesh Operations→On Selection→Length Based

设置Set maximum element length为4

8 设置求解方案

在工程管理窗口右击Analysis→Add Solution Setup，在Solver下设置求解频率Adaptive Frequency为100kHz，其他参数保持默认。

9 确认打开涡流效应和磁芯损耗

在工程管理窗口右击Excitations→Set Eddy Effect，确认线圈涡流效应处于选中状态

右击Excitations→Set Core Loss，选中所有磁芯的Core Loss Setting。

10 检查项目

在Simulation菜单栏中点击Validate，检查有无错误，右边都显示绿色√，说明模型、参数设置无误，可以求解。

11 运行求解

在工程管理窗口右击Analysis下的Setup1→Analyze，开始求解

注意：求解前保存文件

12 查看结果

① 查看阻抗矩阵、耦合系数

在Result菜单栏点击Solution Data，按下图设置，原边自感L11=38.7uH，副边自感L22=25.4uH，原副边互感L12=30.4uH，耦合系数k=0.97，可计算励磁电感Lm=L11×k=37.5uH，漏感Lr=L11×(1-k)×2=2.322uH.

② 查看电流、电压

在工程管理窗口，右击Results→Create EddyCurrent Report→Data Table

在Category中选择Winding，在Quantity中选择要查看的结果，点击New Report

结果如下

③ 显示云图

选中原边绕组模型，右击Fields→J→Mag_J

在Create Field Plot窗口中选择Plot on surface only，点击Done，可显示原边绕组电流密度云图

同理，可查看电流矢量图Fields→J→Vector_J

选中磁芯模型，右击Fields→B→Mag_B，查看磁芯的磁感强度云图

同理，可查看磁感强度矢量图，Fields→B→Vector_B；磁场强度云图，Fields→H→Mag_H；磁场强度矢量图，Fields→H→Vector_H.

④ 计算损耗

在工程管理窗口右击Field Overlays→Calculator，打开场计算器

在Input下的Quantity中选择CoreLoss（磁芯损耗），在Geometry中选择要计算损耗的一个磁芯对象，在scalar下点∫符号，在Output下点击Eval计算所选磁芯的损耗。

结果显示在中间结果界面，ci_xin1损耗0.005W，同理可计算其他磁芯的损耗

同上述操作在Quantity中选择OhimcLoss（绕组损耗），在Geometry中选择要计算损耗的绕组对象，可计算绕组损耗，如下图原边绕组损耗0.18W.