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)生推動翼肋伸縮的動力, 當(dāng)采用電機(jī)泵動力時,，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，對它的研究則顯得尤為重要,。
對于井下惡劣的環(huán)境以及空間等各方面因素的限制,，我們對松耦合變壓器的研究存在較大困難，而ANSYS的實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，都有它自己獨特的優(yōu)點,，尤其是在后處理中,，可以觀察出各個方向的電磁力、磁感應(yīng)強(qiáng)度,、磁動勢等,。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)點分析方法中的一個,。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)場單元（AX、AY,、AZ三個自由度）來為無限邊界建模,。
單元類型選擇，實常數(shù)及材料屬性設(shè)置
場路耦合可用于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體模型進(jìn)行耦合。其中實體模型可選擇PLAN53(2D),、SOLID97(3D)和SOLIDll7(3D-20node)單元,。對于節(jié)點法 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；線圈實常數(shù)設(shè)置與材料屬性設(shè)置如表1,、表 2,。
表1：線圈實常數(shù)
表2：材料屬性
實體建模
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)實際尺寸可建立三維模型,。應(yīng)用ANSYS10.0的Emag模塊對變壓器進(jìn)行三維場路耦合仿真分析，變壓器物理模型如圖1所示,。分析過程如下：
圖1 變壓器實物圖
根據(jù)圖1所示變壓器物理模型進(jìn)行實體建模,，通過命令流或GUI方法對模型進(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,，對其實常數(shù)和單元類型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
對線圈內(nèi)阻進(jìn)行電路模型設(shè)置,，電阻的大小由萬用表測得,。
次級線圈加負(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,，在一個正弦周期內(nèi)用16個載荷步，則每個載荷步的時間間隔為6.25e-6s,。每個載荷步又分為5個子步來實現(xiàn),。在本文中施加20個載荷步后進(jìn)行求解,。
后臺處理，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 場路耦合有限元模型
圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖
使用Post26時間歷程后臺處理器查看次級負(fù)載 R3的感應(yīng)電動勢,，并輸出曲線圖，如圖5所示,。
圖5 次級負(fù)載感應(yīng)電動勢曲線圖
三維仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比
為了分析方便,在仿真時將磁芯設(shè)為線性導(dǎo)磁材料,相對磁導(dǎo)率定為:2500,；不考慮渦流損耗；氣隙間距:1mm,；初級電壓加幅值為15V的正弦波,，頻率為 10kHz；負(fù)載為100Ω,。根據(jù)上面分析,，實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如表3所示：
表3：實測與仿真數(shù)據(jù)對比
從表3的分析對比可以看出,三維仿真和實測的效率誤差在5%左右。其中次級的電流電壓值基本和實際測量的電流電壓值相符合,。篇幅所限,表中只列出初級電壓在15V,，頻率在10kHz的情況。因為仿真中,磁芯的磁導(dǎo)率假設(shè)為線性的,而實際中的鐵氧體磁特性用非線性的B-H磁滯回線來表示的,所以仿真和實測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)對比
為了檢驗三維仿真的準(zhǔn)確性,，將其與以前做過的二維仿真進(jìn)行對比，仿真環(huán)境：初級電壓15V正弦波,，負(fù)載100Ω,，氣隙1mm；通過變化頻率,，觀察次級感應(yīng)電壓與傳輸效率的變化,，如圖6、圖7所示,。
圖6 效率曲線對比圖
圖7 次級感應(yīng)電壓曲線對比圖
由上圖可知,，三維仿真與二維仿真在變化頻率時，二者曲線走勢基本一致,，但由于選擇的實體單元,、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)，利用場路耦合可以改變負(fù)載等參數(shù),，求出初級次級的電流電壓,，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)而推動對松耦合變壓器的研究,。