基于新型碳纳米材料的电变压器绕组导线的数值研究：性能提升与未来前景

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Numerical Investigation of Novel Carbon Nanomaterial-Based Wire for Electrical Transformer Windings: Performance Improvement and Future Prospects

碳纳米管复合材料在变压器绕组中的应用及性能研究。通过COMSOL有限元仿真对比了Cu、CNT、CNT/Al、CNT/Cu绕组的输出电压与电流，发现CNT/Cu复合材料在保持高效的同时具有更优的热稳定性与轻量化特性，误差率低于5.16%。

　　

摘要

随着对高效变压器和轻量化电气系统需求的增加，有必要在绕组应用中使用功能性材料。铜绕组虽然传统且导电性能良好，但存在重量和热性能方面的限制，因此需要先进的解决方案。由非金属材料制成的导电体可能代表着技术进步的飞跃，并成为传统电线的有吸引力的替代品。然而，无论是实验上还是分析上，相关知识都相对匮乏。本文探讨了使用新型碳纳米管纱线（CNT）、碳纳米管-铝（CNT/Al）和碳纳米管-铜（CNT/Cu）复合导线作为变压器绕组的潜力。通过广泛的数值研究，测量了这些材料的电气性能，包括输出电流和电压。我们开发了一个单相变压器的有限元三维模型，并使用COMSOL Multiphysics?软件对该变压器的性能进行了模拟。结果表明，在所有模拟中输入条件和负载保持不变的情况下，由于所用材料的电阻率和热导率存在差异，输出电压和电流存在显著差异。所提出的Cu、CNT、CNT/Al和CNT/Cu绕组原型升压变压器的最大输出电压分别为129.39 V、61.48 V、91.88 V和113.67 V。此外，数值模拟结果表明，由这些新型碳纳米材料制成的变压器表现出符合标准电气变压器理论的行为特征。这些基于碳纳米管的材料的独特优势在于：质量更轻、热阻更高，并且比铜绕组更环保。本研究通过使用CNT/Cu复合材料，扩展了人们对变压器技术的认识，为未来能源系统中的效率提升和性能优化提供了解决方案，以应对传统材料带来的新挑战。此外，所提出方法的数值结果与之前的实验结果非常吻合，最大相对误差仅为5.16%。