电场和磁场计算是计算电磁学的两个分支。通常认为电场计算比磁场计算容易, 主要原因是:第一, 至少在低频情况下, 电场的描述只用一个标量位即可;第二, 电场计算一般均为线性问题。与电场数值计算相比, 磁场的数值计算[2]要复杂得多, 主要原因是由于控制方程复杂, 材料各向异性和非线性。磁场数值计算方法可以从多种角度予以分类。从磁场控制方程出发, 有微分方程法、积分方程法及微分积分方程法, 从数值离散方法出发, 有边界元法、有限元法及有限差分法等;从求解变量的类型出发, 有标量位、矢量位和高阶矢量位。
1 有限元法的概念
有限元法亦称为有限单元法或有限元素法, 是数值计算中一种重要近似方法, 其基本思想是:运用离散化的概念, 将连续介质或结构划分成许多有限大小的字区域的集合, 把每一个字区域称作单元和元素, 将单元的集合称为网络, 则实际的连续介质 (或实际结构) 可以看作这些单元在他们的节点上相互连接而组成的有效集合体, 这是求解的基本方程将是一个代数方程组, 从而将求解描述真实连续场变量的微分方程组简化为求解代数方程组, 得到近似的数值解[3]。随着计算机科技的迅速发展, 有限元技术已广泛应用于解决各种实际工程问题 (机械、电子、传热、电磁场、流体力学、热分析等) 。
2 有关ANSYS介绍
ANSYS软件是融机构, 流体, 电场, 磁场, 声学于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS的多物理场耦合功能, 允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算。
利用此商业软件计算变压器内部电磁场分布, 得到的结果直观清晰、全面精确。计算过程需要以下几个步骤: (1) 建立有限元模性, 包括定义分析标题, 定义单元类型, 定义材料性能参数, 创建几何模型, 划分网格五个步骤; (2) 加载和求解, 包括定义边界条件, 加电源, 求解; (3) 后处理, 可以查看电磁场X、Y、Z个方向的磁通密度、磁场强度、磁场力的等值曲线, 还有总磁通密度、总磁场强度、合磁场力的等值曲线图。
3 利用ANSYS软件计算变压器内部磁场分布
选取某产品作为研究对象建模 (出于商业原因, 不便公开其具体型号和具体参数) 。为了便于进行计算, 在不影响电磁分析的情况下, 我们将变压器模型简化, 将上轭看成是立方体, 而将旁轭看成单独的圆柱, 铁芯是位于模型右边部分, 铁芯外面是线圈。
首先定义材料参数。具体步骤和方法与非线性场类似, 在铁芯中输入B-H表, 表示铁芯为非线性。上轭、旁轭、线圈的相对磁导率都是1。
按照生成上轭、旁轭、线圈、铁芯的顺序建立变压器模型。
完成变压器计算模型的建立后, 用六面体剖分法对模型进行剖分。为了清晰, 我们也可以查看变压器本身的剖分结果如图1。从图中可以看出, 在铁芯内部次从变化剧烈, 剖分单元也就小。
按照ANSYS软件的分析过程, 下一步要进行的是加载和求解。首先定义边界条件, 上、左、右为平行边界, 下表面为垂直边界。然后加激励, 也就是在线圈中输入电流密度。这样就可以求解了。
经过后处理, 可以看到计算结果的可视化图形。变压器磁通的矢量等值图。变压器磁通的标量图, 如图2。从颜色上的变化可以看出磁通大小的变化。
摘要：在有限元技术日趋完善的今天, 随着计算机技术的普及和计算机速度的不断提高, 有限元在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视, 已经成为解决复杂的工程分析问题的有效途径。作为有限元的技术载体的有限元软件也逐步成熟。本文主要介绍了有限元软件是计算电磁场的可靠软件, 大大提高了计算速度, 并可以进行可视化图形的显示。
关键词：软件ANSYS,特点,变压器,有限元,有限元软件ANSYS,变压器电磁场
参考文献
[1] 小枫工作室.最经典ANSYS及Work-bench教程 (第1版) [M].电子工业出版社, 2004.
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[3] 博嘉科技.有限元分析软件——ANSYS融会与贯通 (第1版) [M].电子工业出版社, 2004.
[4] 祝磊主.ANSYS7.0入门与提高 (第2版) [M].北京:清华大学出版社, 2004.
[5] Chaei M, Konrad A.Finite elementcomputation of 3-D electric state andmagnetic state field problems[J].IEEETransactions on Magnetics, 1983, 19 (6) :2321～234.