基于ANSYS的松耦合變壓器三維仿真研究
[導(dǎo)讀]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)泵的能量來源于井下渦輪發(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矢量位方程中，用INFIN111遠(yuǎn)場(chǎng)單元（AX、AY、AZ三個(gè)自由度）來為無限邊界建模。
單元類型選擇，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，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，變壓器物理模型如圖1所示。分析過程如下：
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，三維模型如圖2所示。
圖2 ANSYS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，電阻的大小由萬用表測(cè)得。
次級(jí)線圈加負(fù)載R3工作。全部模型建立完畢如圖3所示。
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，如圖4所示。
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的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并輸出曲線圖，如圖5所示。
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100Ω。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100Ω，氣隙1mm；通過變化頻率，觀察次級(jí)感應(yīng)電壓與傳輸效率的變化，如圖6、圖7所示。
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)，求出初級(jí)次級(jí)的電流電壓，然后求出變壓器的效率；通過改變松耦合變壓器的主要參數(shù)，可以得到影響松耦合變壓器效率的關(guān)鍵參數(shù)以及它們對(duì)松耦合變壓器效率的影響規(guī)律；尤其ANSYS三維仿真，不受模型形狀的限制，可以隨意改變變壓器模型，進(jìn)而推動(dòng)對(duì)松耦合變壓器的研究。
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)泵的能量來源于井下渦輪發(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矢量位方程中，用INFIN111遠(yuǎn)場(chǎng)單元（AX、AY、AZ三個(gè)自由度）來為無限邊界建模。
單元類型選擇，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，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，變壓器物理模型如圖1所示。分析過程如下：
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，三維模型如圖2所示。
圖2 ANSYS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，電阻的大小由萬用表測(cè)得。
次級(jí)線圈加負(fù)載R3工作。全部模型建立完畢如圖3所示。
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，如圖4所示。
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的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并輸出曲線圖，如圖5所示。
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100Ω。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100Ω，氣隙1mm；通過變化頻率，觀察次級(jí)感應(yīng)電壓與傳輸效率的變化，如圖6、圖7所示。
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)，求出初級(jí)次級(jí)的電流電壓，然后求出變壓器的效率；通過改變松耦合變壓器的主要參數(shù)，可以得到影響松耦合變壓器效率的關(guān)鍵參數(shù)以及它們對(duì)松耦合變壓器效率的影響規(guī)律；尤其ANSYS三維仿真，不受模型形狀的限制，可以隨意改變變壓器模型，進(jìn)而推動(dòng)對(duì)松耦合變壓器的研究。
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