當(dāng)今變壓器領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到很成熟的階段，輕量、高效、高密度是當(dāng)今變壓器發(fā)展目標(biāo)。在變壓器產(chǎn)品研發(fā)中，利用有限元仿真軟件，可以方便地改變變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，觀(guān)察這些參數(shù)對(duì)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(guó)用戶(hù)最多、應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件，它融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等專(zhuān)業(yè)的分析于一體，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、造船、航天航空、汽車(chē)交通、電子、土木工程、水利、鐵道等各種工業(yè)建設(shè)和科學(xué)研究。
什么叫做松耦合
松耦合系統(tǒng)通常是基于消息的系統(tǒng)，此時(shí)客戶(hù)端和遠(yuǎn)程服務(wù)并不知道對(duì)方是如何實(shí)現(xiàn)的。客戶(hù)端和服務(wù)之間的通訊由消息的架構(gòu)支配。只要消息符合協(xié)商的架構(gòu)，則客戶(hù)端或服務(wù)的實(shí)現(xiàn)就可以根據(jù)需要進(jìn)行更改，而不必?fù)?dān)心會(huì)破壞對(duì)方。
松耦合通訊機(jī)制提供了緊耦合機(jī)制所沒(méi)有的許多優(yōu)點(diǎn)，并且它們有助于降低客戶(hù)端和遠(yuǎn)程服務(wù)之間的依賴(lài)性。但是，緊耦合性通常可以提供性能好處，便于在客戶(hù)端和服務(wù)之間進(jìn)行更為緊密的集成（這在存在安全性和事務(wù)處理要求時(shí)，可能是必需的）。
作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器，其原理是利用電機(jī)泵產(chǎn)生推動(dòng)翼肋伸縮的動(dòng)力， 當(dāng)采用電機(jī)泵動(dòng)力時(shí)，電機(jī)泵的能量來(lái)源于井下渦輪發(fā)電機(jī)。由于可控偏心器的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了電機(jī)泵要安裝在不旋轉(zhuǎn)套上，而發(fā)電機(jī)要安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上，這樣就涉及到旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(duì)它的研究則顯得尤為重要。
對(duì)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(duì)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(dú)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(yīng)強(qiáng)度、磁動(dòng)勢(shì)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(duì)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(jié)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(yuǎn)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(shù)及材料屬性設(shè)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(duì)于節(jié)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(shù)設(shè)置與材料屬性設(shè)置如表1、表 2。
實(shí)體建模
松耦合變壓器材料為錳鋅鐵氧體，結(jié)構(gòu)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(yīng)用ANSYS10.0的Emag模塊對(duì)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：
根據(jù)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(duì)模型進(jìn)行自上而下的建模，三維模型如圖2所示。
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(dú)立電壓源，電壓設(shè)置為正弦電壓源。并設(shè)置電壓源的幅度、頻率、相位等參數(shù)。
建立絞線(xiàn)圈的電路模型，對(duì)其實(shí)常數(shù)和單元類(lèi)型等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
對(duì)線(xiàn)圈內(nèi)阻進(jìn)行電路模型設(shè)置，電阻的大小由萬(wàn)用表測(cè)得。
次級(jí)線(xiàn)圈加負(fù)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(jié)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(fù)載100Ω，在一個(gè)正弦周期內(nèi)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(xiàn)。在本文中施加20個(gè)載荷步后進(jìn)行求解。