當今變壓器領域已經發展到很成熟的階段，輕量、高效、高密度是當今變壓器發展目標。在變壓器產品研發中，利用有限元仿真軟件，可以方便地改變變壓器的結構參數，觀察這些參數對變壓器的影響。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、鐵道等各種工業建設和科學研究。

引言

作為旋轉導向智能鉆井系統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能量傳輸方式，由于接觸式滑環存在安裝不方便、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、諧波和瞬態分析的兩種基于節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；線圈實常數設置與材料屬性設置如表1、表 2。

表1：線圈實常數

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，按照磁環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。

建立絞線圈的電路模型，對其實常數和單元類型等參數進行設置。

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。

進行瞬態分析求解

耦合絞線圈所有節點的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。在本文中施加20個載荷步后進行求解。

后臺處理，結果觀察