基于AutoCAD與Maxwell的電阻型高壓分壓器建模與磁場(chǎng)仿真*

/福建省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

由于高壓實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性以及難以計(jì)算雜散電容的影響，通過電路方法計(jì)算分壓器特性直接設(shè)計(jì)制造高壓分壓器，其結(jié)果很可能與預(yù)期有較大誤差[1]。因此，在設(shè)計(jì)與制造中加入仿真分析環(huán)節(jié)，通過建立準(zhǔn)靜態(tài)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻型高壓分壓器的仿真，從而為分壓器設(shè)計(jì)提供有效的驗(yàn)證手段。

Maxwell[2]（麥克斯韋）是一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果準(zhǔn)確、易于使用的二維/三維電磁場(chǎng)有限元分析軟件，包括靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、時(shí)變電磁場(chǎng)和渦流場(chǎng)計(jì)算等，可以用來(lái)分析電機(jī)、傳感器、變壓器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、正常工況和故障工況的特性。然而Maxwell自帶的建模功能非常有限，處理復(fù)雜模型時(shí)較為繁瑣，而AutoCAD（自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)體造型，并且可以提供友好的可視化界面，大大減輕用戶的工作量，降低工作的復(fù)雜程度，減小誤差。

因此，將CAD軟件與Maxwell軟件結(jié)合起來(lái)使用，充分利用CAD軟件快速準(zhǔn)確建模的優(yōu)勢(shì)，就可以很好地解決Maxwell建模能力的不足?；贏utoCAD建立高壓分壓器的三維模型，再由Maxwell有限元分析軟件仿真其磁場(chǎng)分布，可以有效地提高建模速度，提高模型質(zhì)量，簡(jiǎn)化分析工作，對(duì)工程技術(shù)人員非常有益。

1 建立三維模型

采用運(yùn)行于微機(jī)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD2008進(jìn)行建模，對(duì)于具有復(fù)雜外形的對(duì)象，可以先按其幾何外形特點(diǎn)分解為幾個(gè)部件，并對(duì)各個(gè)部件分別建模，再拼接形成完整的三維實(shí)體模型。

1.1 模型分解

根據(jù)電阻型高壓分壓器的設(shè)計(jì)，高壓分壓器[3,4]結(jié)構(gòu)包括底座、中間支撐柱、均壓環(huán)、支撐支架、分壓電阻、連接導(dǎo)線等。分壓電阻由125支2 MΩ的高壓電阻組成，因此建模時(shí)將一個(gè)高壓電阻、一段連接導(dǎo)線及支撐該電阻的支撐支架視為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元（如圖1所示），支撐支架包含一個(gè)環(huán)形柱體，導(dǎo)線貫穿其中，再由兩個(gè)支撐腳固定在中間支撐柱上。

1.2 組合模型

建立各部件的模型后，將各個(gè)部件拼接到正確的位置上，形成整體的三維圖形。將125組電阻單元環(huán)繞中間支撐柱構(gòu)成分壓主體，由底座支撐直立，頂部安裝均壓環(huán)。整體模型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)單元

圖2 分壓器模型

2 模型導(dǎo)入

選定磁場(chǎng)分析求解器后，結(jié)合CAD系統(tǒng)的圖形優(yōu)勢(shì)和Maxwell強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行分壓器建模分析。Maxwell與AutoCAD的2D轉(zhuǎn)換使用DXF文件接口，3D轉(zhuǎn)換使用SAT文件接口。因此，所建的高壓分壓器3D模型，首先在CAD中創(chuàng)建面域后導(dǎo)出為SAT文件，再由Maxwell的“Insert Maxwell 3D Design”命令讀入。由于兩種軟件中對(duì)弧線處理的準(zhǔn)確度不一致，模型導(dǎo)入Maxwell后可能會(huì)提示有重疊線、面的錯(cuò)誤，這樣需要?jiǎng)h除這些線或重新拉伸面作布爾加。修改模型直至模型驗(yàn)證無(wú)誤[5]。

3 模型求解及分析

建模完成后，在Maxwell中依次設(shè)置材料屬性，設(shè)置激勵(lì)源和邊界條件，驗(yàn)證各項(xiàng)條件是否滿足，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，分析計(jì)算求解，在后處理中查看結(jié)果（求解過程如圖3所示）。Maxwell的網(wǎng)格劃分為自適應(yīng)劃分。首先是初步劃分網(wǎng)格，求解完成后分析誤差是否滿足用戶設(shè)定條件與準(zhǔn)確度（如迭代次數(shù)等）。若不滿足則繼續(xù)按用戶設(shè)置繼續(xù)細(xì)分（如該模型每次細(xì)分30%），直至滿足條件為止。

由于模型中電阻元件與中央支撐柱的模型尺寸相差較大，因此在模型計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生不收斂或由于內(nèi)存不足而數(shù)據(jù)溢出的情況。進(jìn)行磁場(chǎng)分析時(shí)，在影響范圍不大的條件下對(duì)模型進(jìn)行了多種試簡(jiǎn)化，最后確定了螺旋方形體結(jié)構(gòu)模擬原模型進(jìn)行求解，其網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖3 模型求解過程

模型求解完成后，在后處理單元中查看結(jié)果。例如兩種圖5所示的磁感線分布，圖5（a）底座材料選用304號(hào)不銹鋼，圖5（b）是430號(hào)鐵素體不銹鋼，可以看出圖5（a）電阻附近磁場(chǎng)最大，磁感線貫穿中央支撐柱向周圍發(fā)散，漸漸減弱，磁感線穿透儀器各個(gè)部件，不受影響；圖5（b）由于底座材料SS430含有弱磁性，磁感線在底座附近發(fā)生扭曲。因此在制作分壓器的過程中應(yīng)使用SUS304號(hào)材料，不影響磁場(chǎng)分布，使用電阻螺旋結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。改變導(dǎo)體的截面尺寸和形狀，對(duì)離開導(dǎo)線一定距離(＞3倍導(dǎo)線直徑)處的磁場(chǎng)影響非常小。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖5 磁感線分布

4 結(jié)語(yǔ)

CAD軟件與Maxwell軟件結(jié)合使用，基于AutoCAD建立高壓分壓器的三維模型，再由Maxwell有限元分析軟件仿真其磁場(chǎng)分布，通過建立準(zhǔn)靜態(tài)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻型高壓分壓器的仿真，為分壓器設(shè)計(jì)提供有效的驗(yàn)證手段，并且有效地提高了建模速度和模型質(zhì)量，簡(jiǎn)化分析。

[1]張仁豫，陳昌漁，王昌長(zhǎng)，等.高電壓試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]劉國(guó)強(qiáng)，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

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[4]李旭，俞集輝，汪泉弟，等.基于CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車電磁兼容的建模和仿真[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007,12（30）：21-24.

[5]段田瑾.阻容分壓器準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)仿真方法的研究[D].華北電力大學(xué)，2010.