[導讀]當今變壓器領域已經發(fā)展到很成熟的階段，輕量、高效、高密度是當今變壓器發(fā)展目標。在變壓器產品研發(fā)中，利用有限元仿真軟件，可以方便地改變變壓器的結構參數(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、應用最廣泛的有限元分析軟件,它融結構、熱、流體、電磁、聲學等專業(yè)的分析于一體,可廣泛應用于機械制造、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)建設和科學研究。
引言
作為旋轉導向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器，其原理是利用電機泵產生推動翼肋伸縮的動力, 當采用電機泵動力時，電機泵的能量來源于井下渦輪發(fā)電機。由于可控偏心器的機械結構決定了電機泵要安裝在不旋轉套上，而發(fā)電機要安裝在旋轉的主軸上，這樣就涉及到旋轉和不旋轉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。作為松耦合電能傳輸技術的核心部分——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、磁感應強度、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單元進行建模，將建立好的電路模型與有限元實體模型進行耦合。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)設置與材料屬性設置如表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，結構為上下罐狀磁環(huán)，按照磁環(huán)實際尺寸可建立三維模型。應用ANSYS10.0的Emag模塊對變壓器進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行實體建模，通過命令流或GUI方法對模型進行自上而下的建模，三維模型如圖2所示。
圖2 ANSYS三維模型
然后進行網格劃分，同樣也可以采用GUI和命令流兩種操作，網格劃分有多種劃分方式，在這里主要采用了三維自由網格劃分。
建立電路模型
建立獨立電壓源，電壓設置為正弦電壓源。并設置電壓源的幅度、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)進行設置。
對線圈內阻進行電路模型設置，電阻的大小由萬用表測得。
次級線圈加負載R3工作。全部模型建立完畢如圖3所示。
進行瞬態(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，負載100Ω，在一個正弦周期內用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個載荷步后進行求解。
后臺處理，結果觀察
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果磁感應強度B矢量圖，如圖4所示。
圖3 場路耦合有限元模型
圖4 磁感應強度矢量圖
使用Post26時間歷程后臺處理器查看次級負載R3的感應電動勢，并輸出曲線圖，如圖5所示。
圖5 次級負載感應電動勢曲線圖
三維仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比
為了分析方便,在仿真時將磁芯設為線性導磁材料,相對磁導率定為: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,磁芯的磁導率假設為線性的,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確性，將其與以前做過的二維仿真進行對比，仿真環(huán)境：初級電壓15V正弦波，負載100Ω，氣隙1mm；通過變化頻率，觀察次級感應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。
結論
利用ANSYS對松耦合變壓器進行建模仿真，可以改變變壓器的關鍵參數(shù)，利用場路耦合可以改變負載等參數(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，進而推動對松耦合變壓器的研究。
作為旋轉導向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器，其原理是利用電機泵產生推動翼肋伸縮的動力, 當采用電機泵動力時，電機泵的能量來源于井下渦輪發(fā)電機。由于可控偏心器的機械結構決定了電機泵要安裝在不旋轉套上，而發(fā)電機要安裝在旋轉的主軸上，這樣就涉及到旋轉和不旋轉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。作為松耦合電能傳輸技術的核心部分——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、磁感應強度、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單元進行建模，將建立好的電路模型與有限元實體模型進行耦合。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)設置與材料屬性設置如表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，結構為上下罐狀磁環(huán)，按照磁環(huán)實際尺寸可建立三維模型。應用ANSYS10.0的Emag模塊對變壓器進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行實體建模，通過命令流或GUI方法對模型進行自上而下的建模，三維模型如圖2所示。
圖2 ANSYS三維模型
然后進行網格劃分，同樣也可以采用GUI和命令流兩種操作，網格劃分有多種劃分方式，在這里主要采用了三維自由網格劃分。
建立電路模型
建立獨立電壓源，電壓設置為正弦電壓源。并設置電壓源的幅度、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)進行設置。
對線圈內阻進行電路模型設置，電阻的大小由萬用表測得。
次級線圈加負載R3工作。全部模型建立完畢如圖3所示。
進行瞬態(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，負載100Ω，在一個正弦周期內用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個載荷步后進行求解。
后臺處理，結果觀察
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果磁感應強度B矢量圖，如圖4所示。
圖3 場路耦合有限元模型
圖4 磁感應強度矢量圖
使用Post26時間歷程后臺處理器查看次級負載R3的感應電動勢，并輸出曲線圖，如圖5所示。
圖5 次級負載感應電動勢曲線圖
三維仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比
為了分析方便,在仿真時將磁芯設為線性導磁材料,相對磁導率定為: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,磁芯的磁導率假設為線性的,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確性，將其與以前做過的二維仿真進行對比，仿真環(huán)境：初級電壓15V正弦波，負載100Ω，氣隙1mm；通過變化頻率，觀察次級感應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。
結論
利用ANSYS對松耦合變壓器進行建模仿真，可以改變變壓器的關鍵參數(shù)，利用場路耦合可以改變負載等參數(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，進而推動對松耦合變壓器的研究。
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