基于ANSYS的松耦合变压器三维仿真研究

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



表2：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：



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。

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。

图3 场路耦合有限元模型

图4 磁感应强度矢量图

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，并输出曲线图，如图5所示。

图5 次级负载感应电动势曲线图

三维仿真数据与实测数据对比

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100Ω。根据上面分析，实验数据与仿真数据如表3所示：

表3：实测与仿真数据对比


从表3的分析对比可以看出,三维仿真和实测的效率误差在5%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。

三维仿真数据与二维仿真数据对比

为了检验三维仿真的准确性，将其与以前做过的二维仿真进行对比，仿真环境：初级电压15V正弦波，负载100Ω，气隙1mm；通过变化频率，观察次级感应电压与传输效率的变化，如图6、图7所示。


图6 效率曲线对比图

图7 次级感应电压曲线对比图

由上图可知，三维仿真与二维仿真在变化频率时，二者曲线走势基本一致，但由于选择的实体单元、设置参数的方式以及分析方法等方面的不同，所以存在一定的误差。

结论

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。