松耦合变压器的ANSYS三维仿真设计
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
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