ANSYS在“電器學”課程教學中的應用

廈門理工學院電氣工程與自動化學院 張 輯 莊巧斐 卓志強 薛 勇 蔣蓮明

一、引言

“電器學”課程是電氣信息類的一門專業課，該課程主要介紹了電器有關發熱與電動力、電接觸與電弧、電磁機構等理論基礎，同時介紹了低壓電器中的繼電器、接觸器、熔斷器及低壓斷路器等的基本結構、工作原理、主要技術參數與要求，以及有關的設計選用方法，同時也介紹了高壓電器中各種高壓斷路器、高壓熔斷器、隔開關、高壓互感器等的基本結構、工作原理、主要的技術參考與要求。

結合課程設計或科研課題，參考相關文獻，采用典型工程項目，運用ANSYS 軟件 ，獲得數值結果，形成可視化場分布圖，讓學生對電器學理論以及工程設計獲得感性認識，并提高學生分析和設計電器產品的的能力。

電器學課堂教學環節的基本內容主要由三部分組成，第一部分為基本理論，包括電磁理論、發熱理論、電動力理論、電弧電接觸理論；第二部分為典型電器元件( 繼電器、接觸器、斷路器) 的功能特征；第三部分為電器元件在電氣自動化領域的實際應用。

在很多的高壓開關設備中，主要部分基本是滅弧室，滅弧室的結構特性與安全穩定性，在一定程度上影響高壓開關設備的工作能力。現在在國內的常用滅弧室的功能都是比較通用的，而國外的一些公司研究的三工位滅弧室具有更高的功能。所以對于具有合閘、隔離、接地用功能的三工位滅弧室的研發必然對中國電網有很大的影響。將真空滅弧室通過填封包封在環氧樹脂殼體內，即形成固封極柱，它能夠避免外力和外界環境對真空滅弧室的影響，增強了外絕緣強度，減少了裝配工作量，最大限度地減少了裝配過程出現的差錯。在真空斷路器故障類型中，絕緣事故最多。因此，以三工位滅弧室和固封極柱為例，運用ANSYS 來分析其電場分布，既能體現課程的電器理論，又能結合了電器設計的實踐情況。

二、ANSYS 簡介

圖1 分析的基本過程

ANSYS 軟件是一種有限元分析軟件，可以進行電場、溫度場、結構力學、接觸分析，可以用它來求解一切物理場或結構問題。而應用最廣泛的是有限元法，現已應用于結構靜力學、結構動力學、熱力學、多物理場耦合、電路理論學、電磁場學等。

ANSYS 的特點在于具有開放性和適應性特性，能更高效地完成工作。因此它被廣泛應用于很多的工業領域：航空、汽車、醫學、建筑、科技產品、機械、機電系統、運動器械等。

ANSYS Workbench 分析過程包括4個主要的步驟：初步確定、前處理、加載并求解、后處理。前面的初期處理確定為分析前的準備與確認工作，具體操作步驟為后三個步驟，如圖1所示。

1.前處理

前處理指的是用建模軟件來創建所需的三維實體模型。它包括建立或導入幾何模型、定義材料屬性、劃分網格等幾項內容。它自帶實體建模功能，用戶可以用它構造有限元模型或者直接導入由其他軟件建立的模型。

2.加載并求解

ANSYS Workbench 中的加載指的是，對所需要分析的實體模型或節點單元施加所預定的各種外在條件，各種加載條件種類羅列如下。包括結構靜力學分析（線性靜力分析）、結構動力學分析（模態分析、頻譜分析、隨機振動分析）、熱力學分析、接觸分析、電磁場分析、疲勞分析、結構優化分析、復合材料分析、以及多物理場的耦合分析 。

（1）面載荷（包括線載荷）—作用在模型表面的分布載荷

（2）慣性載荷—由于結構體的慣性所引起的載荷

（3）體積載荷—作用區域位于體積上或場域內的載荷

（4）自由度DOF—定義節點的自由度（DOF）值

3.后處理

（1）通用后處理：用來觀看整個模型的瞬時分析結果。

（2）時間歷程后處理：用來觀看不一樣的時間間隔或載荷步驟上的模型的結果，通常應用于解決瞬態分析和動力分析過程。

（3）可以用多種顏色等值線、梯度、矢量、粒子流跡、立體切片、透明及半透明（可看到結構內部）等圖形方式顯示計算結果，也可以以圖表、曲線形式顯示或輸出計算結果。

三、三工位滅弧室建模

1.滅弧室建模方法

三工位滅弧室就是集合閘、隔離、接地三種功能為一體的專用性滅弧室。根據三工位滅弧室CAD 二維圖（如圖2），通過一系列特征操作（如圖3），得到每一部分零件的模型，再通過裝配完成三工位滅弧室的三維立體模型（如圖4）。

2.固封極柱

固封極柱就是將真空滅弧室和斷路器相關的導電零件同時嵌入到環氧樹脂這類容易固化的固體絕緣材料中形成極柱，使整個斷路器極柱成為一個整體的部件，它能夠避免外力和外界環境對真空滅弧室的影響，增強了外絕緣強度，減少了裝配工作量，最大限度地減少了裝配過程出現的差錯。根據草圖進行一系列特征操作，得出固封極柱的三維立體模型，如圖5。

圖2 三工位滅弧室CAD平面圖

圖3 操作步驟

圖4 三工位滅弧室的三維立體模型

圖5 固封極柱的三維立體模型

四、三工位滅弧室電場分析

1.麥克斯韋方程

麥克斯韋方程實際上由4 個定律組成，它們分別是安培定律、法拉第電磁定律，高斯定律和磁通連續性定律。

（1）安培環路定律

沿任何一條閉合路徑的磁場中的磁感應強度的線積分在數值上相當于通過該閉合路徑所圍成的曲面的電流總和。

式中，J 為傳導電流密度矢量（A/m2）為位移電流密度；D 為電通密度（C/m2）。

（2）法拉第電磁感應定律

沿著任何一條閉合回路中的感應電動勢的線積分，正比于穿過該閉合回路的磁通量隨時間的變化率。用積分表示為

（3）高斯電通定律

沿著任何一個閉合曲面的電位移的面積分等于這已閉合曲面所包圍的電荷密度的體積分，用積分形式表示

（4）磁通連續性定律

穿過任何一個閉合曲面的電位移的面積分恒等于零

2.對模型進行電場分析

圖6 電壓梯度分布

其中不同顏色代表不同的電壓值，紅色的電壓是最高的，藍色的電壓最低，從圖6中，可以看到電壓從固封連接排到外殼是逐步下降，是滿足電壓分布規律的。

五、結束語

本文基于電磁場，完成了10kV 組合開關的性能分析及優化，主要分介紹了三工位滅弧室和固封極柱的Solidworks 三維建模過程以及ANSYS Workbench 電場分析。以形象直觀的電場分布圖，加深學生對電器學理論知識的理解，提高了學生分析和解決問題的能力，加深學生對理論知識的理解實踐，提高了學生的興趣。實際教學情況表明，這種教學手段可以提高學生的學習興趣，改善教學效果。

[1]夏天偉.電器學[D].機械工業出版社，2011

[2]王召斌，尚 尚，任萬濱.基于建構主義學習理論的《電器學》課程教學方法研究[J].機電元件，2014

[3]李建基.真空斷路器固封極柱的生產工藝與市場狀況[J].電器工業，2008

[4]杜彥明，顧霓虹.國內配電開關設備現狀及事故情況[J].電網技術，2002

[5]黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M].北京:人們郵電出版社，2013