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ANSYS100软件在松耦合变压器中的三维仿真分析过程介绍

发布时间:2019-05-02 11:04 来源:未知 编辑:admin

  当今变压器领域已经发展到很成熟的阶段,轻量、高效、高密度是当今变压器发展目标。在变压器产品研发中,利用有限元仿真软件,可以方便地改变变压器的结构参数,观察这些参数对变压器的影响。ANSYS是世界上著名的大型通用有限元分析软件,也是中国用户最多、应用最广泛的有限元分析软件,它融结构、热、流体、电磁、声学等专业的分析于一体,可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航天航空、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道等各种工业建设和科学研究。

  作为旋转导向智能钻井系统核心部件的可控偏心器,其原理是利用电机泵产生推动翼肋伸缩的动力, 当采用电机泵动力时,电机泵的能量来源于井下涡轮发电机。由于可控偏心器的机械结构决定了电机泵要安装在不旋转套上,而发电机要安装在旋转的主轴上,这样就涉及到旋转和不旋转之间的能量传输问题。以前一直采用的是接触式滑环能量传输方式,由于接触式滑环存在安装不方便、旋转时易磨损、易受到井下钻井液、水的腐蚀以及泥浆的影响等缺陷,迫切需要一种新的非接触式能量传输方式松耦合电能传输技术。作为松耦合电能传输技术的核心部分松耦合变压器,对它的研究则显得尤为重要。

  对于井下恶劣的环境以及空间等各方面因素的限制,我们对松耦合变压器的研究存在较大困难,而ANSYS的实体建模能力可以快速精确地模拟三维松耦合变压器。ANSYS三维仿真无论是建模、网格划分还是后处理,都有它自己独特的优点,尤其是在后处理中,可以观察出各个方向的电磁力、磁感应强度、磁动势等。下面就介绍ANSYS10.0软件在松耦合变压器中的三维仿真分析过程。

  针对松耦合变压器,我们采用了磁矢量位方法进行仿真。磁矢量位方法(MVP)是ANSYS支持的三维静态、谐波和瞬态分析的两种基于节点分析方法中的一个。矢量位方法在X、Y和Z方向分别具有磁矢量位AX、AY、AZ。在载压或电路耦合分析中还引入了另外三个自由度:电流 (CURR),电压降(EMF)和电压(VOLT)。3-D矢量位方程中,用INFIN111远场单元(AX、AY、AZ三个自由度)来为无限边界建模。

  场路耦合可用于2维和3维仿真,建立电路单元需要用CIRCUI24单元进行建模,将建立好的电路模型与有限元实体模型进行耦合。其中实体模型可选择PLAN53(2D)、SOLID97(3D)和SOLIDll7(3D-20node)单元。对于节点法 3-D分析,可选的单元为3D 矢量位SOLID97单元,与2D单元不同,自由度为:AX,AY,AZ,AX,AY,AZ,CUR,EMF;线圈实常数设置与材料属性设置如表1、表 2。

  根据图1所示变压器物理模型进行实体建模,通过命令流或GUI方法对模型进行自上而下的建模,三维模型如图2所示。

  然后进行网格划分,同样也可以采用GUI和命令流两种操作,网格划分有多种划分方式,在这里主要采用了三维自由网格划分。

  如果加载的电压15V,频率10kHz,磁环中间气隙1mm,负载100,在一个正弦周期内用16个载荷步,则每个载荷步的时间间隔为6.25e-6s。每个载荷步又分为5个子步来实现。在本文中施加20个载荷步后进行求解。

  3-D矢量分析得不到通量线(磁力线),但可利用磁通密度矢量显示来观察通量路径。使用 Post1通用后台处理器观察最后载荷步结果磁感应强度B矢量图,如图4所示。

  使用Post26时间历程后台处理器查看次级负载 R3的感应电动势,并输出曲线 次级负载感应电动势曲线图

  为了分析方便,在仿真时将磁芯设为线性导磁材料,相对磁导率定为:2500;不考虑涡流损耗;气隙间距:1mm;初级电压加幅值为15V的正弦波,频率为 10kHz;负载为100。根据上面分析,实验数据与仿线:实测与仿真数据对比

  实测与仿线的分析对比可以看出,三维仿线%左右。其中次级的电流电压值基本和实际测量的电流电压值相符合。篇幅所限,表中只列出初级电压在15V,频率在10kHz的情况。因为仿真中,磁芯的磁导率假设为线性的,而实际中的铁氧体磁特性用非线性的B-H磁滞回线来表示的,所以仿真和实测值存在的一定的误差。

  利用ANSYS对松耦合变压器进行建模仿真,可以改变变压器的关键参数,利用场路耦合可以改变负载等参数,求出初级次级的电流电压,然后求出变压器的效率;通过改变松耦合变压器的主要参数,可以得到影响松耦合变压器效率的关键参数以及它们对松耦合变压器效率的影响规律;尤其ANSYS三维仿真,不受模型形状的限制,可以随意改变变压器模型,进而推动对松耦合变压器的研究。

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