利用有限元軟件ANSYS計算變壓器內部電磁場分布

摘 要:在有限元技術日趨完善的今天，隨著計算機技術的普及和計算機速度的不斷提高，有限元在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜的工程分析問題的有效途徑。作為有限元的技術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，并可以進行可視化圖形的顯示。

關鍵詞: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文獻標識碼: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的兩個分支。通常認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量位即可;第二，電場計算一般均為線性問題。與電場數值計算相比，磁場的數值計算[2]要復雜得多，主要原因是由于控制方程復雜，材料各向異性和非線性。磁場數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，有微分方程法、積分方程法及微分積分方程法，從數值離散方法出發，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，有標量位、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，是數值計算中一種重要近似方法，其基本思想是:運用離散化的概念，將連續介質或結構劃分成許多有限大小的字區域的集合，把每一個字區域稱作單元和元素，將單元的集合稱為網絡，則實際的連續介質(或實際結構)可以看作這些單元在他們的節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方程組，從而將求解描述真實連續場變量的微分方程組簡化為求解代數方程組，得到近似的數值解[3]。隨著計算機科技的迅速發展，有限元技術已廣泛應用于解決各種實際工程問題(機械、電子、傳熱、電磁場、流體力學、熱分析等)。

2 有關ANSYS介紹

ANSYS軟件是融機構，流體，電場，磁場，聲學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行各式各樣的耦合計算。

利用此商業軟件計算變壓器內部電磁場分布，得到的結果直觀清晰、全面精確。計算過程需要以下幾個步驟:(1)建立有限元模性，包括定義分析標題，定義單元類型，定義材料性能參數，創建幾何模型，劃分網格五個步驟;(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、磁場強度、磁場力的等值曲線，還有總磁通密度、總磁場強度、合磁場力的等值曲線圖。

3 利用ANSYS軟件計算變壓器內部磁場分布

選取某產品作為研究對象建模(出于商業原因，不便公開其具體型號和具體參數)。為了便于進行計算，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。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行剖分。為了清晰，我們也可以查看變壓器本身的剖分結果如圖1。從圖中可以看出，在鐵芯內部次從變化劇烈，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。

經過后處理，可以看到計算結果的可視化圖形。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

[1]\t小楓工作室.最經典ANSYS及Workbench教程(第1版)[M].電子工業出版社，2004.

[2]\t盛劍霓.工程電磁場數值分析(第2版)[M].西安:西安交通大學出版社，2002.

[3]\t博嘉科技.有限元分析軟件——ANSYS融會與貫通(第1版)[M].電子工業出版社，2004.

[4]\t祝磊主.ANSYS7.0入門與提高(第2版)[M].北京:清華大學出版社，2004.

[5]\tChaei M，Konrad A.Finite element computation of 3-D electric state and magnetic state field problems[J].IEEE Transactions on Magnetics，1983，19(6):2321～234.