关于绕线式变压器CST-MW工作室3D建模和验证方案

作者 | 希格斯玻色子 仿真秀优秀讲师

首发 | 仿真秀App

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——希格斯玻色子。2023年达索系统全球冠军计划成员，资深电子工程师，苏州重点产业紧缺人才。13年的硬件电路设计的工作经验，曾在三星电子，哈曼汽车系统从事硬件设计研发的工作，有三项实用新型专利和一项发明专利。

一、写在文前

2023年7月，经朋友推荐在仿真秀分享自己的原创文章和CST电磁兼容仿真技术。它让我惊讶的是，短短不到3个月，我的文章在仿真秀专栏获得了不错的阅读量，大有超越公众号阅读量之势，还引发了工程师的共鸣——仿真秀确实是一个我们工程师开展技术和内容分享的优秀平台。如下文：

• CST电磁兼容性仿真---IGBT的3D建模

• 天线系数AF(Antenna Factor)表达式的推导过程

• CST电磁兼容性仿真的流程介绍(一）

• 基于CST的辐射发射仿真单杆天线建模取得突破

如今我也正式开通了在仿真秀技术服务（欢迎通过仿真秀联系我，见文末），课程也在准备中，欢迎大家关注。今天我希望和工程师朋友分享自己新鲜出炉的文章——绕线式变压器CST-MW工作室3D建模和验证，如有不当，欢迎大家点击文尾阅读原文进入我专栏互动交流。

在3D建模方面，绕线式变压器和平板式变压器相比，绕线式变压器的结构更加复杂，匝数和股数较多，大尺寸部件(例如磁芯)和小尺寸部件共存(例如漆皮、胶带)，漆皮的厚度往往非常薄。另外，由于部分导线较粗不便于机器绕制，存在手工绕制的环节，而手工绕制的牵线力度也会存在差异。这些差异都会直接带来建模和仿真过程中的一系列问题，比如：较多的匝数、绕组的环形形状和较薄的绝缘材料会大大增加仿真时间，所以需要考虑减少仿真时间的问题；非常薄的漆皮材料往往会增加网格剖分的难度，仿真效率低或无法进行；机器绕制和手工绕制都有可能引入一致性问题，比如：非均匀的绕组匝间距和非均匀的层间距。为了获得准确的3D模型并进一步得到等效电路模型，需要重点考虑上述问题。

图2.13表示CST-MW工作室中绕线式变压器的建模流程图。和平面变压器的建模流程相比，绕线式变压器需要重点考虑其三维模型。

图1.13 CST-MW工作室绕线变压器建模流程

二、导线建模

 

1、先确定所用的导线的线径和绕制方法

作者这里选取0.5线径的导线，一根导线模型如下图2所示。

图2.一根导线模型

导线的长度与实际所选磁芯有关。这里选取EFD30磁芯，它的中柱长约为16mm，宽约为7mm，所以选取导线的长度为16.1mm，宽为7.1mm。连接处使用CST里面loft功能进行连接。

等间距复制这根导线，得到第一层导线模型。如图3所示

图3.第一层导线模型

 

 

最后根据第一层建模方法，画出其他层导线模型。最终导线模型如图4所示.

图4.最终导线模型

 

 

 

2、磁芯导入

根据实际选取的磁芯导入磁芯模型，作者这里选用EFD30磁芯。如图5所示。

图5.磁芯模型

根据厂家所给磁导率，设置磁芯材料参数。如图6、图7所示。

图6.厂家磁导率参数  

图7.实际拟合所用磁导率

3、最终模型

最终变压器模型如图8所示：

图8.变压器模型

三、绕线式变压器3D建模层间材料处理

若按照实际情况分区域绘制绕线式变压器，即按照实际尺寸绘制出漆皮、绝缘胶带等，那么由于材料非常薄，存在非常近的临近接触面，很容易导致剖分失败报错，且大大增加了仿真模型的复杂程度和难度。因此对于较薄的漆皮和层间绝缘胶带部分，在定义它们的介电常数时，考虑采取合理近似的方法将其转化为同一种物质。

图9虚线框中包围的部分表示待等效介电常数的区域。其中漆皮和绝缘胶带的相对介电常数εr为3，空气的相对介电常数εair为1。用Vins表示该区域内绝缘材料的体积，用Vair表示不规则形状空气的体积。该区域等效的相对介电常数可以表示为：

图9绕线变压器待等效介电常数的区域

 

 

在绘制绕线变压器3D模型的过程中，还需要考虑它的层间误差问题。图10(a)表示变压器匝间和层间绝缘结构最理想的情况，两匝绕组线匝排布整齐，层间绝缘胶带和绕组的漆皮相切。但是由于胶带产生不平整的弧度等原因，实际的结构如图10(b)所示。层间距的误差一般难以测得，但是可以通过测量外直径的方法间接得到。

1、首先以理想的绕组直径、漆皮厚度、绝缘胶带厚度可以理论计算得到绕组的外直径，但这一理论值小于游标卡尺实际测得的数值，两者之间的误差即为该变压器所有层间距的误差之和。

2、其次，可以假设该误差来源于层叠胶带的不平整现象引入的空气，若胶带层数越多则误差越大，因此可以将这一误差平均至每一层胶带上，从而可以得到单层误差。

3、最后在绘制三维模型时，根据胶带层数确定层间距误差。以图11所示的情况为例，两匝绕组之间缠绕两层胶带，则三维模型的层间距为两层漆皮和两层含有误差的胶带厚度之和。

 

 

图10绕线变压器绕组匝间和层间绝缘结构

图11层间误差处理

 

 

四、绕线式变压器3D电磁仿真与验证

图12表示带有辅助绕组和屏蔽绕组的绕线式变压器示意图，其中图12(a)表示其原理图，图12(b)表示其剖面图，该变压器具有夹绕、并联等特点。样品变压器选用的磁芯型号为DMR95，磁芯的中柱气隙0.2mm。原边绕组共42匝，副边绕组4匝，辅助绕组9匝且采用两股并绕，屏蔽绕组E1和E2分别为10匝和6匝。以该变压器为例，进行绕线式变压器3D电磁仿真模型的仿真与实测对比验证。

图13表示CST软件中绘制的3D仿真模型。根据上述分析和推导可知，该变压器的等效介电常数为2.62，需要考虑的单层误差为0.011mm。由于该变压器的原边端子距离较远，Port1不便于直接焊SMA头。因此考虑采用多孔板并添加引线，以增强连接网络分析仪时的稳定性。需要注意的是，测量引入的额外接线需要在绘制3D模型时有所体现。图14表示实际测量时被测对象的示意图。图中标注了多孔板上Port1和Port2的位置以及所对应的变压器的端口位置。

 

 

 图12带有辅助和屏蔽绕组的绕线变压器

 

 

图13绕线式变压器3D模型

图14实际测量时的被测对象

 

 

图15表示绕线式变压器的共模S21参数仿真和实测的对比结果。在150kHz-100MHz之间，仿真与实测结果吻合度较好，各谐振峰值点处最大误差小于3dB。表2.1给出了关键频点处(100kHz、谐振峰值1和谐振峰值2)的CST-MW工作室仿真和实测对应频率处幅值的对比和偏差。

图15绕线式变压器共模S21参数仿真和实测对比结果

 

 

表2.1 绕线变压器CST-MW仿真和实测关键频段处幅值对比和偏差

 

 

   

 

（完）