论文总字数：24441字

摘 要

高频变压器是电力电子变压器的主要构成部分之一。随着电力电子技术水平的提高，高频变压器的工作频率也在不断增高，因此对高频变压器的制作和设计提出了更高的挑战。高频变压器的磁芯需要合理选择，同时，高频变压器的损耗和温升问题不容忽略，需要合理设计高频变压器。

本论文利用Ap法设计了一台容量为10 kVA的高频变压器，对磁芯损耗和绕组损耗进行了研究，为了能够准确地分析高频变压器的磁场和温度场，本论文运用了Ansoft Maxwell软件和Ansys Fluent软件，建立了高频变压器有限元模型，对高频变压器进行了电磁场与温度场的耦合仿真。

耦合仿真的结果给出了铁芯的磁场分布情况，得到了高频变压器的铁芯损耗和绕组损耗的值及温度云图，结果显示，高频变压器的绕组为发热最为严重的区域。在设置了不同风速的强迫风冷后，发热温升情况有明显的改善。

本论文的研究工作具有一定的理论和实用价值，对未来高频变压器的设计与改良提供了理论依据。

关键词：有限元分析，高频变压器，电磁场，温度场

Abstract

High frequency transformer is one of the main components of power electronic transformer (PET). With the continuous development of the technology of power electronics, the operating frequency of the high frequency transformer is increasing. Therefore, higher challenges are raised for the production of high frequency transformers. The material of magnetic core for the high frequency transformer should be selected reasonably. Meanwhile, the issue of losses and temperature rise cannot be ignored. We need to design the high frequency transformers properly.

In this thesis, a high frequency transformer with rated power of 10 kVA is designed by using Ap method. The core losses and winding losses are studied in this thesis. In order to accurately analyze the high frequency transformer’s magnetic field and temperature field, we establish the finite element model for the high frequency transformer with the help of Ansoft Maxwell and Ansys Fluent. And then the co-simulations by combination of the electromagnetic field and temperature field are carried out.

The co-simulation results of the finite element method give the magnetic field distributions of the magnetic core, where the losses of core and winding, cloud picture of the temperature field are obtained. The simulation results show that the winding is with the highest temperature rising. The temperature is obviously decreased, when the forced air cooling with different speed is set.

The research work of this thesis has good theoretical and practical value, and it provides a theoretical basis for the design of high-frequency transformers in the future.

KEY WORDS: finite element analysis, high frequency transformer, electromagnetic field, temperature field

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2高频变压器的发展现状 2

1.3本论文主要研究的内容 4

第二章 有限元分析法 5

2.1有限元法 5

2.2多物理场耦合分析 6

2.2.1多物理场耦合简介 6

2.2.2高频变压器中的多物理场耦合分析 6

2.3计算公式 7

2.3.1电磁场方程 7

2.3.2温度场方程 8

2.4本章小结 8

第三章 高频变压器的设计 9

3.1高频变压器参数设计 9

3.2.高频变压器的损耗分析 12

3.2.1铁芯损耗 12

3.2.2绕组损耗 13

3.3本章小结 15

第四章 高频变压器磁场和温度场分析 16

4.1高频变压器的磁场仿真 16

4.1.1绕组损耗的有限元分析 16

4.1.2高频变压器二维模型磁场仿真 20

4.2高频变压器的温度场仿真 24

4.2.1各种传热方式简介 24

4.2.2温度场边界条件 26

4.2.3高频变压器的温度场仿真 27

4.3本章小结 32

第五章 全文总结和展望 33

5.1全文总结 33

5.2工作展望 33

参考文献 34

致 谢 35

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）是一种新型的电能转换设备，PET的作用是将一种交流电能转换为另一种交流电能，并保持频率不变，其主要功能为能量传递、电压变换和电器隔离。传统的变压器虽然也能进行电压变换，实现上述功能，且具有一些优点，比如易于制作，可靠性大，但是也存在很多不容忽视的问题，主要是体积和重量比较大，过载时容易引起输出电压下降，且接入非线性负载时，会产生谐波污染，从而降低电能质量，在空载的运行状态下损耗高，所以普通的变压器越来越难满足现代生产生活的需要。如今的生活中，电能发挥着越来越大的作用，用电量也越来越大。由电路的相关知识，在产生相同感应电动势的条件下，提高工作频率可以有效减少变压器的匝数和铁芯截面积，从而减小变压器的体积。

图1.1 电力电子变压器基本原理结构图

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