當今變壓器領域已經(jīng)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(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(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)決定了電機泵要安裝在不旋轉(zhuǎn)套上，而發(fā)電機要安裝在旋轉(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(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(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(nèi)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(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個載荷步后進行求解。

后臺處理，結(jié)果觀察