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(多图) 基于ANSYS的松耦合变压器三维仿真研究

西安石油大学 周静 李永振 安慰东?? 2010年06月30日 ?? 收藏0

  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。

  引言

  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。

  松耦合变压器的ANSYS三维仿真

  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。

  单元类型选择,实常数及材料属性设置

  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。

表1:线圈实常数

线圈实常数

表2:材料属性

材料属性

  实体建模

  松耦合变压器材料为锰锌铁氧体,结构为上下罐状磁环,按照磁环实际尺寸可建立三维模型。应用ANSYS10.0的Emag模块对变压器进行三维场路耦合仿真分析,变压器物理模型如图1所示。分析过程如下:

变压器实物图

图1 变压器实物图

  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。

ANSYS三维模型

图2 ANSYS三维模型

  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。

  建立电路模型

  建立独立电压源,电压设置为正弦电压源。并设置电压源的幅度、频率、相位等参数。

  建立绞线圈的电路模型,对其实常数和单元类型等参数进行设置。

  对线圈内阻进行电路模型设置,电阻的大小由万用表测得。

  次级线圈加负载R3工作。全部模型建立完毕如图3所示。

  进行瞬态分析求解

  耦合绞线圈所有节点的CURR自由度,施加边界条件。

  如果加载的电压15V,频率10kHz,磁环中间气隙1mm,负载100Ω,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。

  后台处理,结果观察

  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。

场路耦合有限元模型

图3 场路耦合有限元模型

磁感应强度矢量图

图4 磁感应强度矢量图


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ANSYS? 松耦合变压器? 三维仿真?

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