几何不对称线圈，如何左右变压器杂散损耗？

发布日期：2025-04-21 来源：铁芯视界浏览次数：9902

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核心提示：几何不对称线圈，如何左右变压器杂散损耗？

在变压器的设计和制造过程中，杂散损耗是一个不可忽视的问题。这些损耗主要发生在变压器的油箱、铁心夹件等结构部件中，有时会超过负载损耗的20%。这是由于部分杂散磁场在变压器的结构部件及其相关油箱内壁从而产生了杂散损耗。随着变压器功率的增加，这种杂散磁场会导致相当大的损耗，从而产生加热效应。杂散磁场指的是扩散到达油箱和铁心夹件的磁场。变压器的设计和制造通常涉及到绕组的高度和厚度的变化。然而，这种几何不对称性对变压器杂散损耗的大小产生了重大影响。为此墨西哥瓜纳华托大学Ivan A等研究人员研究探讨了不对称线圈对铁心夹和变压器内壁杂散损耗产生的影响，并引入了一个模型来确定与线圈在特定距离处的色散磁场值。该分析扩展到利用有限元电磁模拟来表征到达罐壁的扩散磁场，探索了减少杂散损失的策略，包括放置磁性分流器作为储罐壁的保护屏障，深入研究了采用变压器壳型结构来减轻磁色散场的有效性。

1.变压器扩散损耗的建模分析为了有效控制杂散损耗，研究人员建立了一个详细的几何模型，对柱式变压器的杂散损耗进行了深入分析。该模型涵盖了变压器的所有结构部件及其定位。在模型中，铁心被简化为一个实心件，没有考虑层压，因为研究的主要焦点是分析和计算磁分流器和油箱中的损耗。模型还包括了油箱壁的详细分离，以便更详细地分析每个壁中的杂散磁通量。此外，模型还考虑了初级和次级绕组的高度和厚度，以及磁分流器的高度。

在建模额外损耗时，研究人员没有区分磁滞、涡流和额外损耗。他们将油箱的六个壁隔离出来，将它们视为单独的低碳钢板，以便更详细地分析杂散损耗。通过使用有限元方法（FEM）进行电磁仿真，研究人员得出了|Bd|的值，即杂散磁通密度。对于计算软磁材料层压中的损耗分量，研究人员采用了铁心损耗和励磁电流模型，通过Steinmetz方程、涡流损耗和额外损耗的方法进行计算。这些方法增强了评估变压器油箱壁中磁滞、涡流和额外损耗各自贡献的精确度。为了分析杂散磁通φd及其密度Bd以及油箱和结构部件中的额外损耗，研究人员使用了有限元方法（FEM）。该方法需要计算由涡流（Pe）引起的感应损耗，不包括磁滞。研究人员使用了基于在频域中求解磁矢势A的模型。该模型的表达式包括了考虑材料电阻率和感应电流密度矢量的方程。通过求解这些方程，研究人员能够详细分析油箱壁和磁分流器中的损耗。通过建立详细的几何模型和采用有限元方法，研究人员能够准确地分析和计算变压器中的杂散损耗。这些模型和方法不仅提高了对杂散损耗的理解，还为变压器的设计和优化提供了重要的工具。通过这些研究，可以更有效地控制变压器中的额外损耗，提高变压器的效率和性能。

2.变压器杂散磁场的建模评估研究人员通过有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics软件，对油箱壁上的杂散磁通密度|Bd|进行了详细评估。研究发现，无磁分流器时，右壁（Rw）中心的|Bd|最大值可达0.9T，而前壁（Fw）和后壁（Bw）的|Bd|值约为0.4T。通过放置磁分流器，右壁的|Bd|值可降低至0.4T，整体均方根（rms）值从0.68T降低到0.4T，降低了41.1%。其次，研究分析了绕组不对称对杂散磁场的影响。理想情况下，当两个绕组的高度和厚度相等时，磁场强度|H|呈现等腰梯形分布。然而，实际设计中，绕组的高度和厚度可能不同，导致|H|呈现不等边梯形分布。研究评估了不同绕组不对称情况下的杂散磁场，发现高压绕组的高度和宽度大于低压绕组时，杂散磁场显著增加，导致额外损耗增加约16.1%。最后，提出了一种模型来估算磁场强度|H|和到达油箱壁的杂散磁场密度|Bd|，通过以下公式计算：

3.设计参数和损耗值的评估研究人员通过有限元方法（FEM）和提出的模型，对25MVA电力变压器的杂散损耗进行了评估。研究发现，无磁分流器时，油箱壁的总额外损耗为32.23kW，轭梁的损耗为1.84kW，总额外损耗为34.0kW。使用磁分流器后，总额外损耗降低到19.70kW，提出的模型结果为19.0kW，减少了约42%。其次，研究评估了不同绕组尺寸对杂散磁场和损耗的影响。理想情况下，绕组高度和宽度相等时，杂散磁场最小。实际情况下，高压绕组的高度和宽度大于低压绕组时，杂散磁场显著增加，额外损耗增加约16.1%。使用磁分流器后，损耗显著减少约44.2%。此外，研究还分析了三种材料（退火钢、取向硅钢和非晶带材）的性能和成本。退火钢成本较低，相对磁导率为2000，电阻率为0.143 µΩm。取向硅钢（CRGO）电阻率为0.48 µΩm，非晶带材电阻率为1.3 µΩm。通过FEM仿真，评估了不同材料的磁分流器对杂散磁场的吸收效果，发现取向硅钢的吸收效果最好，但成本较高。图2 杂散磁场吸收的比较：(a)杂散磁通密度；(b)|B|的表征

4.壳式配置对杂散磁场和损耗的影响壳式配置在变压器设计中被广泛认为是一种有效减少磁场泄漏和降低额外损耗的方法。研究人员通过对比芯式和壳式变压器的磁场分布和损耗，详细评估了壳式配置的优势。壳式变压器的油箱壁上的杂散磁场平均值约为300mT，比芯式变压器低14%。壳式变压器的总损耗预计减少6%到8%，尽管其油箱尺寸较大，空载损耗增加。壳式配置在减少杂散损耗方面的优势使其在高效变压器设计中具有重要地位。设计者在选择壳式配置时，需要权衡尺寸、成本和损耗的减少，以做出最佳决策。图3 壳式变压器的活性部件（铁心和绕组）以及油箱壁上的磁场分布

5.结论在变压器设计和制造中减少杂散外损耗意味着在该业务领域具有竞争优势。通过研究发现：放置磁分流器可以使油箱的杂散损耗减少高达40%；此外，如果在设计阶段力求使绕组的厚度和高度更加相等，可以避免杂散磁场，从而将油箱壁上的杂散损耗减少11%；通过评估不同材料的磁分流器对杂散磁场的吸收效果，发现取向硅钢的吸收效果最好，但成本较高；使用壳式配置可以将油箱壁的杂散损耗减少高达14%。然而，还应考虑壳式配置可能会增加油箱的尺寸，这意味着损耗可能仅减少6%到8%。

关键词： 几何不对称线圈

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