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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(chǎn)生推動(dòng)翼肋伸縮的動(dòng)力, 當采用電機泵動(dòng)力時(shí)，電機泵的能量來(lái)源于井下渦輪發(fā)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(fā)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(wèn)題。以前一直采用的是接觸式滑環(huán)能量傳輸方式,由于接觸式滑環(huán)存在安裝不方便、旋轉時(shí)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(shù)。作為松耦合電能傳輸技術(shù)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(huán)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(shí)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(wú)論是建模、網(wǎng)格劃分還是后處理，都有它自己獨特的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在后處理中，可以觀(guān)察出各個(gè)方向的電磁力、磁感應強度、磁動(dòng)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(guò)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(jìn)行仿真。磁矢量位方法（MVP）是ANSYS支持的三維靜態(tài)、諧波和瞬態(tài)分析的兩種基于節點(diǎn)分析方法中的一個(gè)。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(gè)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(chǎng)單元（AX、AY、AZ三個(gè)自由度）來(lái)為無(wú)限邊界建模。 單元類(lèi)型選擇，實(shí)常數及材料屬性設置 場(chǎng)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(jìn)行建模，將建立好的電路模型與有限元實(shí)體模型進(jìn)行耦合。其中實(shí)體模型可選擇PLAN53(2D)、SOLID97(3D)和SOLIDll7(3D-20node)單元。對于節點(diǎn)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(xiàn)圈實(shí)常數設置與材料屬性設置如表1、表2。 表1：線(xiàn)圈實(shí)常數 表2：材料屬性 實(shí)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(huán)，按照磁環(huán)實(shí)際尺寸可建立三維模型。應用ANSYS10.0的Emag模塊對變壓器進(jìn)行三維場(chǎng)路耦合仿真分析，變壓器物理模型如圖1所示。分析過(guò)程如下： 圖1 變壓器實(shí)物圖 根據圖1所示變壓器物理模型進(jìn)行實(shí)體建模，通過(guò)命令流或GUI方法對模型進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，同樣也可以采用GUI和命令流兩種操作，網(wǎng)格劃分有多種劃分方式，在這里主要采用了三維自由網(wǎng)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(xiàn)圈的電路模型，對其實(shí)常數和單元類(lèi)型等參數進(jìn)行設置。 對線(xiàn)圈內阻進(jìn)行電路模型設置，電阻的大小由萬(wàn)用表測得。 次級線(xiàn)圈加負載R3工作。全部模型建立完畢如圖3所示。 進(jìn)行瞬態(tài)分析求解耦合絞線(xiàn)圈所有節點(diǎn)的CURR自由度，施加邊界條件。 如果加載的電壓15V，頻率10kHz，磁環(huán)中間氣隙1mm，負載100Ω，在一個(gè)正弦周期內用16個(gè)載荷步，則每個(gè)載荷步的時(shí)間間隔為6.25e-6s。每個(gè)載荷步又分為5個(gè)子步來(lái)實(shí)現。在本文中施加20個(gè)載荷步后進(jìn)行求解。 后臺處理，結果觀(guān)察3-D矢量分析得不到通量線(xiàn)(磁力線(xiàn))，但可利用磁通密度矢量顯示來(lái)觀(guān)察通量路徑。使用Post1通用后臺處理器觀(guān)察最后載荷步結果磁感應強度B矢量圖，如圖4所示。 圖3 場(chǎng)路耦合有限元模型 圖4 磁感應強度矢量圖 使用Post26時(shí)間歷程后臺處理器查看次級負載R3的感應電動(dòng)勢，并輸出曲線(xiàn)圖，如圖5所示。 圖5 次級負載感應電動(dòng)勢曲線(xiàn)圖 三維仿真數據與實(shí)測數據對比 為了分析方便,在仿真時(shí)將磁芯設為線(xiàn)性導磁材料,相對磁導率定為:2500；不考慮渦流損耗；氣隙間距:1mm；初級電壓加幅值為15V的正弦波，頻率為10kHz；負載為100Ω。根據上面分析，實(shí)驗數據與仿真數據如表3所示： 表3：實(shí)測與仿真數據對比 從表3的分析對比可以看出,三維仿真和實(shí)測的效率誤差在5%左右。其中次級的電流電壓值基本和實(shí)際測量的電流電壓值相符合。篇幅所限,表中只列出初級電壓在15V，頻率在10kHz的情況。因為仿真中,磁芯的磁導率假設為線(xiàn)性的,而實(shí)際中的鐵氧體磁特性用非線(xiàn)性的B-H磁滯回線(xiàn)來(lái)表示的,所以仿真和實(shí)測值存在的一定的誤差。 三維仿真數據與二維仿真數據對比 為了檢驗三維仿真的準確性，將其與以前做過(guò)的二維仿真進(jìn)行對比，仿真環(huán)境：初級電壓15V正弦波，負載100Ω，氣隙1mm；通過(guò)變化頻率，觀(guān)察次級感應電壓與傳輸效率的變化，如圖6、圖7所示。 圖6 效率曲線(xiàn)對比圖 圖7 次級感應電壓曲線(xiàn)對比圖 由上圖可知，三維仿真與二維仿真在變化頻率時(shí)，二者曲線(xiàn)走勢基本一致，但由于選擇的實(shí)體單元、設置參數的方式以及分析方法等方面的不同，所以存在一定的誤差。 結論 利用ANSYS對松耦合變壓器進(jìn)行建模仿真，可以改變變壓器的關(guān)鍵參數，利用場(chǎng)路耦合可以改變負載等參數，求出初級次級的電流電壓，然后求出變壓器的效率；通過(guò)改變松耦合變壓器的主要參數，可以得到影響松耦合變壓器效率的關(guān)鍵參數以及它們對松耦合變壓器效率的影響規律；尤其ANSYS三維仿真，不受模型形狀的限制，可以隨意改變變壓器模型，進(jìn)而推動(dòng)對松耦合變壓器的研究。 |
