基于ANSYS的松耦合變壓器三維仿真研究

1、基于ANSYS的松耦合變壓器三維仿真研究當(dāng)今變壓器領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到很成熟的階段，輕量、高效、高密度是當(dāng)今變壓器發(fā)展目標(biāo)。在變壓器產(chǎn)品研發(fā)中，利用有限元仿真軟件，可以方便地改變變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，觀察這些參數(shù)對(duì)變壓器的影響。ANSYS是世界上著名的大型通用有限元分析軟件，也是中國(guó)用戶(hù)最多、應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件,它融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等專(zhuān)業(yè)的分析于一體,可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、造船、航天航空、汽車(chē)交通、電子、土木工程、水利、鐵道等各種工業(yè)建設(shè)和科學(xué)研究。引言作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器，其原理是利用電機(jī)泵產(chǎn)生推動(dòng)翼肋伸縮的動(dòng)力,當(dāng)采用電機(jī)泵動(dòng)力時(shí)，電機(jī)泵的能

2、量來(lái)源于井下渦輪發(fā)電機(jī)。由于可控偏心器的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了電機(jī)泵要安裝在不旋轉(zhuǎn)套上，而發(fā)電機(jī)要安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上，這樣就涉及到旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)之間的能量傳輸問(wèn)題。以前一直采用的是接觸式滑環(huán)能量傳輸方式,由于接觸式滑環(huán)存在安裝不方便、旋轉(zhuǎn)時(shí)易磨損、易受到井下鉆井液、水的腐蝕以及泥漿的影響等缺陷，迫切需要一種新的非接觸式能量傳輸方式——松耦合電能傳輸技術(shù)。作為松耦合電能傳輸技術(shù)的核心部分——松耦合變壓器，對(duì)它的研究則顯得尤為重要。對(duì)于井下惡劣的環(huán)境以及空間等各方面因素的限制，我們對(duì)松耦合變壓器的研究存在較大困難，而ANSYS的

3、實(shí)體建模能力可以快速精確地模擬三維松耦合變壓器。ANSYS三維仿真無(wú)論是建模、網(wǎng)格劃分還是后處理，都有它自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在后處理中，可以觀察出各個(gè)方向的電磁力、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁動(dòng)勢(shì)等。下面就介紹ANSYS10.0軟件在松耦合變壓器中的三維仿真分析過(guò)程。松耦合變壓器的ANSYS三維仿真針對(duì)松耦合變壓器，我們采用了磁矢量位方法進(jìn)行仿真。磁矢量位方法MVP)是ANSYS支持的三維靜態(tài)、諧波和瞬態(tài)分析的兩種基于節(jié)點(diǎn)分析方法中的一個(gè)。矢量位方法在X、Y和Z方向分別具有磁矢量位AX、AY、AZ。在載壓或電路耦合分析中還引入了另外三個(gè)自由度：電流(CURR),電壓降(EMF)和電壓(VOLT)。3-D矢

4、量位方程中，用INFIN111遠(yuǎn)場(chǎng)單元(AX、AY、AZ三個(gè)自由度)來(lái)為無(wú)限邊界建模。單元類(lèi)型選擇，實(shí)常數(shù)及材料屬性設(shè)置場(chǎng)路耦合可用于2維和3維仿真，建立電路單元需要用CIRCUI24單元進(jìn)行建模，將建立好的電路模型與有限元實(shí)體模型進(jìn)行耦合。其中實(shí)體模型可選擇PLAN53(2D)、SOLID97(3D)和SOLIDll7(3D-20node)單元。對(duì)于節(jié)點(diǎn)法3-D分析，可選的單元為3D矢量位SOLID97單元與2D單元不同，自由度為:AX,AY,AZ，AX,AY,AZ,CUR,EMF；線圈實(shí)常數(shù)設(shè)置與材料屬性設(shè)置如表1、表2。表1：線圈實(shí)常數(shù)表2：材料屬性實(shí)體建模松耦合變壓器材料為錳鋅鐵氧體，

5、結(jié)構(gòu)為上下罐狀磁環(huán)，按照磁環(huán)實(shí)際尺寸可建立三維模型。應(yīng)用ANSYS10.0的Emag模塊對(duì)變壓器進(jìn)行三維場(chǎng)路耦合仿真分析，變壓器物理模型。分析過(guò)程如下：圖1變壓器實(shí)物圖根據(jù)圖1所示變壓器物理模型進(jìn)行實(shí)體建模，通過(guò)命令流或GUI方法對(duì)模型進(jìn)行自上而下的建模，三維模型。圖2ANSYS三維模型然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同樣也可以采用GUI和命令流兩種操作,網(wǎng)格劃分有多種劃分方式，在這里主要采用了三維自由網(wǎng)格劃分。建立電路模型建立獨(dú)立電壓源，電壓設(shè)置為正弦電壓源。并設(shè)置電壓源的幅度、頻率、相位等參數(shù)。建立絞線圈的電路模型，對(duì)其實(shí)常數(shù)和單元類(lèi)型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)線圈內(nèi)阻進(jìn)行電路模型設(shè)置，電阻的大小由萬(wàn)用表測(cè)得。

6、次級(jí)線圈加負(fù)載R3工作。全部模型建立完畢。進(jìn)行瞬態(tài)分析求解耦合絞線圈所有節(jié)點(diǎn)的CURR自由度，施加邊界條件。如果加載的電壓15V,頻率10kHz，磁環(huán)中間氣隙1mm,負(fù)載100Ω，在一個(gè)正弦周期內(nèi)用16個(gè)載荷步，則每個(gè)載荷步的時(shí)間間隔為6.25e-6s。每個(gè)載荷步又分為5個(gè)子步來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本文中施加20個(gè)載荷步后進(jìn)行求解。后臺(tái)處理，結(jié)果觀察3-D矢量分析得不到通量線（磁力線），但可利用磁通密度矢量顯示來(lái)觀察通量路徑。使用Post1通用后臺(tái)處理器觀察最后載荷步結(jié)果磁感應(yīng)強(qiáng)度B矢量圖，。圖3場(chǎng)路耦合有限元模型圖4磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖使用Post26時(shí)間歷程后臺(tái)處理器查看次級(jí)負(fù)載R3的

7、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并輸出曲線圖,。圖5次級(jí)負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線圖三維仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比為了分析方便,在仿真時(shí)將磁芯設(shè)為線性導(dǎo)磁材料,相對(duì)磁導(dǎo)率定為:2500；不考慮渦流損耗；氣隙間距：1mm；初級(jí)電壓加幅值為15V的正弦波，頻率為10kHz；負(fù)載為100&0mega;。根據(jù)上面分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如表3所示：表3：實(shí)測(cè)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比從表3的分析對(duì)比可以看出,三維仿真和實(shí)測(cè)的效率誤差在5%左右。其中次級(jí)的電流電壓值基本和實(shí)際測(cè)量的電流電壓值相符合。篇幅所限，表中只列出初級(jí)電壓在15V，頻率在10kHz的情況。因?yàn)榉抡嬷?磁芯的磁導(dǎo)率假設(shè)為線性的,而實(shí)際中的鐵氧體磁特性用非線性的B-H磁滯回線來(lái)表示的，所以仿真和實(shí)測(cè)值存在的一定的誤差。三維仿真數(shù)據(jù)與二維仿真數(shù)據(jù)對(duì)比為了檢驗(yàn)三維仿真的準(zhǔn)確性，將其與以前做過(guò)的二維仿真進(jìn)行對(duì)比，仿真環(huán)境：初級(jí)電壓15V正弦波，負(fù)載100&0mega;，氣隙1mm；通過(guò)變化頻率，觀察次級(jí)感應(yīng)電壓與傳輸效率的變化，。圖6效率曲線對(duì)比圖圖7次級(jí)感應(yīng)電壓曲線對(duì)比圖由上圖可知，三維仿真與二維仿真在變化頻率時(shí)，二者曲線走勢(shì)基本一致，但由于選擇的實(shí)體單元、設(shè)置參數(shù)的方式以及分析方法等方面的不同，所以存在一定的誤差。結(jié)論利用ANSYS對(duì)松耦合變壓器進(jìn)行建模仿真，可以改變變壓器的關(guān)鍵參數(shù)，利用場(chǎng)路耦合可以改變負(fù)載等參數(shù)，求