利用有限元軟件ANSYS計算變壓器內(nèi)部電磁場分布

摘 要:在有限元技術(shù)日趨完善的今天，隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和計算機(jī)速度的不斷提高，有限元在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析問題的有效途徑。作為有限元的技術(shù)載體的有限元軟件也逐步成熟。本文主要介紹了有限元軟件ANSYS的特點及在工程電磁場中的使用方法。本論文利用有限元軟件ANSYS計算了變壓器電磁場。經(jīng)過本次分析驗證，有限元軟件ANSYS是計算電磁場的可靠軟件，大大提高了計算速度，并可以進(jìn)行可視化圖形的顯示。

關(guān)鍵詞:軟件ANSYS 特點 變壓器 有限元 有限元軟件ANSYS 變壓器電磁場

中圖分類號:TM4\t\t\t文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0133-01

電場和磁場計算是計算電磁學(xué)的兩個分支。通常認(rèn)為電場計算比磁場計算容易，主要原因是:第一，至少在低頻情況下，電場的描述只用一個標(biāo)量位即可;第二，電場計算一般均為線性問題。與電場數(shù)值計算相比，磁場的數(shù)值計算[2]要復(fù)雜得多，主要原因是由于控制方程復(fù)雜，材料各向異性和非線性。磁場數(shù)值計算方法可以從多種角度予以分類。從磁場控制方程出發(fā)，有微分方程法、積分方程法及微分積分方程法，從數(shù)值離散方法出發(fā)，有邊界元法、有限元法及有限差分法等;從求解變量的類型出發(fā)，有標(biāo)量位、矢量位和高階矢量位。

1 有限元法的概念

有限元法亦稱為有限單元法或有限元素法，是數(shù)值計算中一種重要近似方法，其基本思想是:運(yùn)用離散化的概念，將連續(xù)介質(zhì)或結(jié)構(gòu)劃分成許多有限大小的字區(qū)域的集合，把每一個字區(qū)域稱作單元和元素，將單元的集合稱為網(wǎng)絡(luò)，則實際的連續(xù)介質(zhì)(或?qū)嶋H結(jié)構(gòu))可以看作這些單元在他們的節(jié)點上相互連接而組成的有效集合體，這是求解的基本方程將是一個代數(shù)方程組，從而將求解描述真實連續(xù)場變量的微分方程組簡化為求解代數(shù)方程組，得到近似的數(shù)值解[3]。隨著計算機(jī)科技的迅速發(fā)展，有限元技術(shù)已廣泛應(yīng)用于解決各種實際工程問題(機(jī)械、電子、傳熱、電磁場、流體力學(xué)、熱分析等)。

2 有關(guān)ANSYS介紹

ANSYS軟件是融機(jī)構(gòu)，流體，電場，磁場，聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS的多物理場耦合功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計算。

利用此商業(yè)軟件計算變壓器內(nèi)部電磁場分布，得到的結(jié)果直觀清晰、全面精確。計算過程需要以下幾個步驟:(1)建立有限元模性，包括定義分析標(biāo)題，定義單元類型，定義材料性能參數(shù)，創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格五個步驟;(2)加載和求解，包括定義邊界條件，加電源，求解;(3)后處理，可以查看電磁場X、Y、Z個方向的磁通密度、磁場強(qiáng)度、磁場力的等值曲線，還有總磁通密度、總磁場強(qiáng)度、合磁場力的等值曲線圖。

3 利用ANSYS軟件計算變壓器內(nèi)部磁場分布

選取某產(chǎn)品作為研究對象建模(出于商業(yè)原因，不便公開其具體型號和具體參數(shù))。為了便于進(jìn)行計算，在不影響電磁分析的情況下，我們將變壓器模型簡化，將上軛看成是立方體，而將旁軛看成單獨的圓柱，鐵芯是位于模型右邊部分，鐵芯外面是線圈。

首先定義材料參數(shù)。具體步驟和方法與非線性場類似，在鐵芯中輸入B-H表，表示鐵芯為非線性。上軛、旁軛、線圈的相對磁導(dǎo)率都是1。

按照生成上軛、旁軛、線圈、鐵芯的順序建立變壓器模型。

完成變壓器計算模型的建立后，用六面體剖分法對模型進(jìn)行剖分。為了清晰，我們也可以查看變壓器本身的剖分結(jié)果如圖1。從圖中可以看出，在鐵芯內(nèi)部次從變化劇烈，剖分單元也就小。

按照ANSYS軟件的分析過程，下一步要進(jìn)行的是加載和求解。首先定義邊界條件，上、左、右為平行邊界，下表面為垂直邊界。然后加激勵，也就是在線圈中輸入電流密度。這樣就可以求解了。

經(jīng)過后處理，可以看到計算結(jié)果的可視化圖形。變壓器磁通的矢量等值圖。變壓器磁通的標(biāo)量圖，如圖2。從顏色上的變化可以看出磁通大小的變化。

參考文獻(xiàn)

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