ANSYS10.0软件在松耦合变压器中的三维仿真分析过程介绍

ANSYS电磁场分析指南第九章3D静态、谐波和瞬态分析节点法第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）9.1节点法（MPV）进⾏3D静态磁场分析3-D节点法磁场分析的具体步骤与2-D静态分析类似，选择GUI参数路径Main Menu>Preferences> Magnetic-Nodal，便于使⽤相应的单元和加载。

与2-D静态分析同样的⽅式定义物理环境，但要注意下⾯讨论的存在区别的地⽅。

9.1.1 选择单元类型和定义实常数对于节点法3 –D静磁分析，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。

3D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。

对于载压和载流绞线圈（只有SOLID97单元），必须定义如下实常数：速度效应可求解运动物体在特定情况下的电磁场，2-D静磁分析讨论了运动体的应⽤和限制，在3-D中，只有SOLID97单元类型能通过设置单元KEYOPT选项来考虑速度效应。

9.1.2 定义分析类型⽤与2D静态磁场分析相同的⽅式定义3D静态磁场分析，即，可以通过菜单路径Main Menu>Solution>New Analysis、或者⽤命令ANTYPE,STATIC,NEW来定义⼀个新的静态磁场分析；或者⽤ANTYPE,STATIC,REST 命令来重启动⼀个3-D分析。

如果使⽤了速度效应，不能在3D静态分析(ANTYPE,STATIC)中直接求解具有速度效应的静态直流激励场，⽽要⽤具有很低频率的时谐分析(ANTYPE,HARMIC)来完成。

9.1.3 选择⽅程求解器命令：EQSLVGUI：Main Menu>Solution>Analysis Options3D模型建议使⽤JCG或PCG法进⾏求解。

⽽对于载压模型、载流模型、或有速度效应的具有⾮对称矩阵的模型，只能使⽤波前法、JCG法、或ICCG法求解。

ANSYS10的重要新功能作者：安世亚太延续了ANSYS一贯强大的耦合场技术，ANSYS 10.0新版本功能将灵活性和实践性相融合，在易用性、协同工作以及耦合技术（如流固耦合）等方面有很大提高。

ANSYS 10.0秉承Workbench主旋律，提供给用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。

ANSYS Workbench提供独一无二的环境，可以直接建立应力分析、电磁分析、计算流体动力学分析或多场耦合分析的模型。

通过CAD系统的连通性，可以将模型扩展到上、下游部件，最终完成整个模型的分析。

通过Workbench流程，空气动力学分析工程师可以进行CFD设计，同时确认结构特征，这将大幅度缩短设计流程，如图1所示。

图1 设计流程新版本在核心的网格处理技术上有较大增强，实现了在ANSYS Workbench各个应用程序间共享网格。

另外，双向参数互动的CAD接口的稳健性也得到了提高。

ANSYS ICEM CFD 10.0通过混合网格剖分新功能和CAD模型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具以模拟真实世界，如图2所示。

图2 网格划分和细节处理功能结合ANSYS CFX和涡轮专用的前后处理CFD功能，ANSYS 10.0版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案。

ANSYS 10.0加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了Workbench环境下的行业化功能，即ANSYS BladeModeler——针对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具，以及ANSYS TurboGrid——高质量的叶片设计六面体网格划分工具，如图3所示。

图3 旋转机械叶片构件在机械应用领域，ANSYS 10.0增加了旋转机械的陀螺效应，从而提高了ANSYS对涡轮机械和其他旋转结构的转子动力学分析的能力。

在转子结构的动力分析中，ANSYS现在可以通过CORIOLIS命令在静止/旋转参考系中考虑惯性效应，在具有不同角速度的多载荷步模态分析中，可以生成坎贝尔（COMPBELL）图显示自然频率的变化，如图4所示。

均匀直杆的子空间法模态分析1.模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。

ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。

前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。

ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。

ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。

2.模态分析操作过程一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。

(1).建模模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。

(2).施加载荷和求解包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。

指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。

指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND.定义主自由度，仅缩减法使用。

ANSYS大型变压温度场的有限元分析杨涛华北科技学院机电工程系材控B112班摘要：变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转变成同频率的另一种电压和电流等级。

它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义；同时，它在电气的测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。

如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。

准确计算出变压器的平均温升和最热点温升，并合理地控制其分布，以满足标准要求，是保证变压器安全、稳定和高校运行的关键。

关键字：温度场;变压器；铁芯；有限元；ANSYS1引言变压器是电力网中的主要设备，其总容量达到发电设备总容量的5～6倍。

电力变压器的技术性能、经济指标直接影响着电力系统的安全性、可靠性和经济性。

随着科学技术的发展、生产技术的进步以及新型电工材料的开发应用，变压器的各项性能指标不断刷新，单机容量越来越大，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们的关注。

在额定运行情况下，漏磁场的增强引起的变压器附加损耗的增加将直接影响变压器的运行效率和产品的竞争力。

严重的是，由于漏磁场在一定范围内的金属结构件中产生的涡流损耗不均匀，有可能造成这些结构件的局部过热现象。

变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏，最终导致绝缘材料的热老化与击穿。

在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命威胁。

为了避免此种事故发生，必须对漏磁场进行全面的分析。

为此，对变压器运行的效率、寿命和可靠性提出了越来越高的要求。

变压器在220℃温度下, 保持长期稳定性，在350℃温度下, 可承受短期运行，在很广的温度和湿度范围内, 保持性能稳定，在250℃温度下, 不会熔融,流动和助燃，在750℃温度下, 不会释放有毒或腐蚀性气体。

第四章耦合场分析耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。

例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。

其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。

耦合场分析的类型耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。

序贯耦合解法序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。

它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场1的耦合的。

例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。

直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。

在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。

例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。

何时运用直接耦合解法或序贯耦合解法对于不存在高度非线性相互作用的情形，序贯耦合解法更为有效和方便，因为我们可以独立的进行两种场的分析。

例如，对于序贯热-应力耦合分析，可以先进行非线性瞬态热分析，再进行线性静态应力分析。

而后我们可以用热分析中任意载荷步或时间点的节点温度作为载荷进行应力分析。

这里耦合是一个循环过程，其中迭代在两个物理场之间进行直到结果收敛到所需要的精度。

直接耦合解法在解决耦合场相互作用具有高度非线性时更具优势，并且可利用耦合公式一次性得到最好的计算结果。

直接耦合解法的例子包括压电分析，伴随流体流动的热传导问题，以及电路-电磁2场耦合分析。

求解这类耦合场相互作用问题都有专门的单元供直接选用。

3。

论变压器三维仿真软件的原理与用途【摘要】为了使变压器运行时的状态能更直观，清晰地展现在用户眼前，变压器三维仿真软件模拟进行了变压器空载、负载、短路等实验，获得了模拟仿真实验的结果，得到一系列变压器理想状态下运行的特性数据。

【关键词】变压器；三维仿真；模拟实验0 引言人类已经进入三维化科技时代，以往的二维视图和软件已经不能满足大众的视觉需求。

三维的软件以其清晰、一目了然、逼真的特点赢得了当今技术领域广泛的市场。

仿真软件则模拟了现场的工作环境，三维仿真技术也以操作简单越来越收到许多企业与科研单位的欢迎。

1995年，国家调度中心要求现有35kV-110kV变电站在条件具备时逐步实现无人值班变电站，新建变电站可根据调度和管理需要以及规划要求，按无人值班设计。

欲实现无人值班变电站，其中变电站的综合自动化程度很重要。

[1]以往变压器只有平面图，二维图，CAD图，电厂需要更加清晰的控制软件来模拟工作环境，更直观地反映变压器的工作状态，以便及时有效的对其状况作出反应，提高自动化程度。

我们设计的变压器三维仿真软件过程中所运用的几个软件包括fortran语言，VRP和3D MAX。

通过构建三维虚拟实验室场景，包括实验工作台，变压器设备，仪器仪表等，开发出一套可在计算机上运行的3D虚拟现实变压器实验场景，在场景中可进行空载、短路、负载实验，并在虚拟仪表盘上显示出实验数据。

本课题是基于变压器试验的可视化仿真平台，为保证项目能够顺利进行，试验人员必须具备较高素质，并进行相关方面的仿真培训。

1 变压器工作原理及其数学模型1.1 变压器基本原理现有最常见的变压器是油浸式变压器。

当变压器初级接入交流电源以后，在初级绕组中就有交流电流通过，于是在铁芯中产生交变磁通，它随着电源频率而变化，主磁通集中在铁芯内。

变压器通过初、次级绕组的磁耦合，把电源的能量传给负载。

再根据选择初、次级绕组的不同匝数比，就能实现升降压的目的。

[2]1.2 变压器试验数学模型1.2.1 变压器空载实验变压器的全部励磁特性是有空载试验确定的，进行空载试验的目的测量产品的空载损耗和空载电流，看其是否符合产品有关标准和技术条件要求；通过测最产品的空载损耗和空载电流发现铁心磁路中的局部或整体缺陷；根据高压绝缘试验前后测量的空载损耗比较，判断绕组是否有匝间短路情况。

影响松耦合变压器性能的参数分析摘 要传统的电能传输主要通过导线直接进行，在一般环境下这种方式合理有效，被广泛采用。

但是在一些特殊场合，如易燃易爆场合和水下系统，这种电能传输方式的安全性难以得到保证。

非接触电能传输系统利用电磁感应耦合技术与电力电子技术，避免了电能传输过程中裸露导体或产生电火花的问题，实现了电能的安全传输。

松耦合变压器是非接触电能传输系统中的关键部分。

在简单地介绍松耦合变压器的基本结构及工作原理的基础上，给出了松耦合变压器的互感等效模型。

由松耦合变压器的特点，对影响松耦合变压器耦合系数的磁芯材料、绕组位置、气隙大小等因素进行了分析。

针对不同的应用场合，对原副边进行了补偿设计，提高了电能传输效率和减小了供电电源的电压电流定额。

关键词：非接触能量传输；松耦合变压器；耦合系数；原副边补偿装订线The analysis of the parameters for affecting the loosely coupledtransformer performanceABSTRACTMost electrical equipment get the energy through plugs from source, this kind of energy transmission system is efficient and accepted widely. But it is unsafe at the special circumstance such as undersea applications and flammable environments. This paper describes a contact less power transmission system using isolation transformer, which is spark free and no uncovered conduct being exposed to the environments.Loosely coupled transformer is a key part in contact less in ductile power transfer system. For this reason, the fundamental structure and work principle of the loosely coupled transformer are introduced, and the circuit model of mutual inductance is established. Factors that affect the coupling coefficients of the loosely coupled transformer are studied, including magnetic material, location of windings and the width of air gap. Due to the leakage inductances, compensation is necessary to achieve the required power transfer capability. The level of compensation and compensation to apologies are discussed. The design proposal for main parameters of the loosely coupled transformer is suggested.Key word s: inductive power transfer; loosely coupled transformer ; coupling coefficient; primary and secondary compensation1 绪论从1840年发现利用电磁感应原理和导线可以传输电能至今，电能的传输主要通过导线直接进行，但是这种传统的电能传输方式存在很多弊端，例如，水下工作系统、化工、矿业、石油领域等，在传统的电能传输过程中，由于导线的裸露，故存在摩擦、磨损、漏电、火花等不安全因素，极易引起短路或者爆炸；移动设备如电车采用的是滑动接触，在其充电时会存在滑动磨损、积碳、导体裸露和接触火花等问题[1-5]。