绕线式变压器CST-MW工作室3D建模和验证

   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2.13 CST-MW工作室绕线变压器建模流程

   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2.14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ε_r为3，空气的相对介电常数ε_air为1。用V_ins表示该区域内绝缘材料的体积，用V_air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：

                                                 (2.4)

图2.14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2.15(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2.15(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。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。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。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2.16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2.15绕线变压器绕组匝间和层间绝缘结构

图2.16层间误差处理

   图2.17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2.17(a)表示其原理图，图2.17(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2.18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2.19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2.17带有辅助和屏蔽绕组的绕线变压器

图2.18绕线式变压器3D模型

图2.19实际测量时的被测对象

   图2.20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2.20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