電力電子變壓器作為一種高度可控的新型變電裝備，可滿足智能電網中大規(guī)模光伏接入和海上風電并網對變壓器高功率密度、輕量化和高可控性的需求。高頻變壓器作為電力電子變壓器的核心電磁元件，與同容量工頻變壓器相比，具有更小的體積。但隨著對大容量、高效率、高功率密度需求的日益提高，高頻變壓器的損耗和溫升問題也變得尤為重要。國內外許多學者針對高頻變壓器鐵心損耗進行了多方面的研究，主要集中在材料磁特性、鐵心損耗準確計算及整機鐵耗分析三方面。缺乏對計及鐵心結構影響下變壓器鐵心損耗分布特性的分析。目前在大容量高頻變壓器的設計中，對于鐵心結構的選擇一般是依靠設計人員的工程經驗選擇，并沒有形成統(tǒng)一的標準，而常見的高頻變壓器鐵心結構包括U型、O型和E型，在一些工程實踐中還出現(xiàn)了三角形鐵心結構的高頻變壓器。因此，研究不同鐵心結構下高頻變壓器鐵心損耗分布特性就成為大容量高頻變壓器設計面臨的關鍵問題。鄧思影等研究人員以容量相同的U型、三角形和O型高頻變壓器用納米晶鐵心為研究對象，建立了場-路耦合有限元計算模型，分析了空載運行時三種結構鐵心不同位置的磁密隨時間變化情況，揭示了不同結構鐵心損耗密度分布規(guī)律。同時，分析了拐角內徑對拐角區(qū)域損耗分布特性的影響，并進一步比較了由于鐵心損耗分布特性帶來的鐵心局部熱點溫度。研究成果為大容量高頻變壓器鐵心結構選擇及優(yōu)化設計提供重要參考。

1. 不同結構納米晶鐵心典型位置磁密分析針對容量20kVA，工作頻率10kHz的納米晶鐵心，對比700V方波激勵下U型、三角形和O型鐵心的磁密分布特性。U型和三角形鐵心模型構建需考慮拐角，分別如圖1(a）和2(b）所示。


圖3 三角形鐵心不同位置磁密分別隨時間和距離變化曲線

鐵耗主要取決于工作磁密幅值和頻率，但在鐵心拐角處的磁密明顯高于工作磁密，且呈現(xiàn)出不均勻分布。因此，為準確分析鐵心不同位置鐵耗，研究人員除了工作磁密，還對典型位置的磁密變化特點進行分析，并且對U型、三角形和O型鐵心剖分網格圖以及利用有限元計算得到了某時刻磁密分布情況，U型鐵心拐角和鐵心柱區(qū)域不同位置磁密分別隨時間和距離變化的曲線圖，如圖2、3所示。

2. 不同結構納米晶鐵心典型位置損耗分析為便于分析，研究人員對鐵心拐角和鐵心柱建立參考坐標系，選取典型位置分別進行沿徑向方向和切向方向的損耗密度分析；并且對三角形鐵心、O型鐵心徑向和切向不同位置的損耗密度進行分析。見圖4、5。

圖4  三角形鐵心徑向和切向不同位置損耗密度分布


進一步研究U型和三角形鐵心損耗分布，研究人員還對鐵心拐角進行區(qū)域劃分，然后計算分析不同區(qū)域的鐵耗分布情況。

3. 拐角內徑對鐵心局部損耗特性的影響為進一步研究拐角內徑對鐵心局部損耗特性的影響，在保證同一結構鐵心的繞組結構、鐵心截面積和等效磁路長度一致的前提下，研究人員對U型和三角形鐵心分別建立隨拐角內徑變化的參數(shù)化掃描模型，然后計算不同內徑下的鐵心磁密與損耗密度。



最后，為了驗證仿真結果的正確性，研究人員對前述U型、三角形和O型三種納米晶鐵心進行了空載實驗，實驗結果顯示，三角形鐵心空載損耗最大，U型次之，O型最小，與仿真模型的空載損耗所得規(guī)律一致。仿真與實驗結果的誤差可能源于有限元計算時單元離散帶來的誤差，同時材料偏差以及鐵心制造工藝差異性也會給仿真結果帶來一定的誤差，但兩者整體趨勢一致，也可以驗證文中理論分析和仿真結果的正確性與有效性。通過以上的實驗分析，研究人員發(fā)現(xiàn)：O型鐵心損耗密度分布較均勻，U型和三角形鐵心損耗密度最大值均位于內拐角中間位置，工作磁密為0.26 T時，其值分別約為鐵心柱區(qū)域單位質量損耗5.2倍和3.5倍。在U型和三角形鐵心拐角區(qū)域，徑向方向上，磁密先迅速下降后平緩下降；切向方向上，磁密先增大后減小，但整體變化程度較?。划擴型和三角形鐵心拐角內徑分別大于6mm和15mm時，能夠顯著降低拐角區(qū)域的局部損耗密度。U型、三角形和O型鐵心空載損耗分別為19.3 W、32.1 W和13.7 W，與仿真結果規(guī)律一致；U型和三角形鐵心，拐角處局部熱點溫度最高分別為46.5℃和55.2℃，明顯高于鐵心的最高平均溫度42.8℃和50.8℃，O型鐵心局部熱點與平均溫度最高分別為35.0℃和33.6℃，兩者差異較小。來源：《不同納米晶鐵心結構下高頻變壓器空載鐵耗特性》