Ansoft软件

Ansoft软件（精选4篇）

Ansoft软件 第1篇

关键词：Ansoft Maxwell软件,瞬态场,穿心圆杆发热,原因分析,预防措施

1 引言

Ansoft Maxwell软件是专门用于电磁计算与分析的软件。通过它, 能对电机在静态或瞬态工况下进行二维、三维电磁场的分析与计算;能查看电机模型中的磁力线分布及铁心的局部饱情况下等;能对电机在瞬变过程中发生的电磁物理现象进行分析与评判, 为解决实际工程问题提供形象的理论依据。

2 Ansoft软件简介

Ansoft Transient仿真环境是Ansoft公司专门为工程技术人员进行电机电磁场分析以及新型电磁装置电磁场分析所开发的。Ansoft软件进行电机仿真具有如下优点:

(1) 形象的矢量图、等位线和梯度绘制旋转、偏置变量形成的表面动画绘制、任意表面包括多表面静态和动画绘图, 包括物体的多面和任意切面, 动态矢量场、标量场和任何由场计算器求得的物理量, 绘制场计算器得出的矢量、标量和动画图;

(2) Ansoft软件提供了与其它软件进行联合仿真的接口, 如与Simplorer软, 可联合对电机进行控制与运行仿真。

3 事故经过

一台绕线式电机, 为方便冲片冲制工艺, 在转子铁心冲片 (图一) 靠槽底部位增加了一个Φ12工艺孔, 转子动平衡时, 初始不平衡量较大, 于是采取在工艺孔内加穿心圆杆, 圆杆采用不导磁材料 (1Cr18Ni9Ti) , 圆杆外面包扎F级云母绝缘层以与铁心冲片进行绝缘隔离, 两端与转子压圈焊接为一体要。电机出厂试验过程中, 在开路电压、堵转测试时, 出现电机冒烟及绝缘烧焦味, 经解体检查, 发现穿心圆杆绝缘层烧损 (图二) 。

4 Ansoft仿真分析

由于结构的不对称性, 采用全模型, 利用Transient求解器求解, 激励源为电流源。

仿真结果如下:

1) U、V、W相绕组轴线分别与K、L、M相绕组轴线重合位置的仿真情况

2) 圆钢处于与U相绕组轴线相差45°位置的仿真结果

3) 圆钢处于转子铁轭中部与U相绕组轴线相差45°位置的仿真结果

5 穿心圆杆外包绝缘层烧损原分析

穿心圆杆与两端压圈、转轴在内部形成一个短路环 (等效电路如图12) , 转子开路电压测试及堵转试验时, 旋转磁场以同步速在短路环中感应电流, 穿心螺杆在短时内发热, 使其外包绝缘碳化、烧损。

根据傅立叶定律、焦尔定律及欧母定律, 可得以下关系:

可求得:Δt=762k, 螺杆温度 (环境温度t=25℃) :T=787℃

其中:

导杆直流电阻:

由上述计算可看出, 穿心圆杆的温度达787℃, 大大超外包绝缘 (F级云母带, 耐温155℃) 耐温等级, 在短路10S情况下, 使外包绝缘材料迅速碳化、烧焦。

6 预防发热措施

由仿真结果可看出, 穿心圆杆上 (定转子绕组轴线重合位置) 的感生电压为1.7V左右, 电压变化率在合闸瞬间 (1ms) 达500k V/S, 但云母绝缘层的电容 (, 经初步计算约为69μF) 较小, 在穿心圆杆与外包绝缘料间产生的电容电流 (, 经初步计算约35A) , 且时间极短, 电容电流不会使绝缘材料烧损。因此防止穿心圆杆发热可采取下面两个措施:

为防止穿心圆杆在旋转磁场中的涡流发热, 穿心圆杆的材料需选用不导磁材料。

将穿心圆杆两端与压圈的连接采取绝缘隔离方式, 使内部不形成回路, 消除电阻发热影响。

7 结语

1) 通过仿真分析与理论计算, 穿心圆杆外包绝缘材料碳化及烧损是由于穿心圆杆在转子中形成电流回路, 电阻发热所致。

2) 通过采取将穿心圆杆与压圈进行绝缘隔离措施能较好好地解决发热问题。

3) 仿真结果表明:定子三相绕组的轴线与转子绕组三相绕组的轴线处于不同的位置时, 穿心圆杆的发热程度是不一样的。

4) 仿真结果同时表明:穿心圆杆处于转子铁轭中部至转轴之间的任一位置, 圆杆两端与焊接进行焊接, 不会引起导杆过渡发热, 结构上是安全的。

5) 穿心圆杆中的感应电压与定转子绕组轴线相对位置及圆杆在铁轭中的位置有关。

参考文献

[1]邱关源.电路 (第三版) .高等教育出版社.

[2]赵博.Ansoft12在工程电磁场中的运用.中国水利水电出版社.

[3]《传热学》第三版杨世铭编高等教育出版社.

Ansoft软件 第2篇

关键词：有限元分析,磁场,仿真

1 引言

电磁场数值计算主要采用有限元法、边界元法和有限差分法。其中, 有限元法是最有效的, 也是目前应用最广泛的。随着电子计算机的迅猛发展, 目前正逐步形成以电磁场数值计算方法为基础的计算机仿真计算方法。计算机仿真就是借助计算机, 用系统模型对真实系统或者设想的系统进行实验的一门综合性技术。计算机仿真不能完全代替实验, 却可以逼近实验结果, 指导科研过程。

Ansoft是近年来进入国内的基于有限元法的场分析计算仿真软件。它以电磁技术为核心, 基于麦克斯韦微分方程, 采用有限元离散形式, 将工程中的电磁场计算转换为庞大的矩阵求解。使用该软件不仅可以进行静态场分析, 还可以进行瞬态场分析, 具有简单、易用、直观等优点。

2 电磁装置仿真分析

本文以试验器设备中的电磁装置为研究对象, 采用Ansoft软件进行仿真建模, 对电磁装置进行磁场分析。

2.1 Ansoft仿真分析

Ansoft是一种专门用于电磁场仿真计算与分析的软件, 为电磁场研究人员提供了功能强大的电磁场仿真分析的工具。使用Ansoft软件进行仿真分析的具体步骤如下:

(1) 创建项目

建立新的项目文件后, 定义分析类型, 选择相对应的场求解器。

(2) 创建几何模型

根据结构尺寸, 采用相应的绘图指令, 建立结构的几何模型, 并对各组件进行定义。

(3) 材料定义及分配

根据需要, 进行材料定义, 并对几何模型中的各部分组件指定相对应的材料属性。

(4) 激励源与边界条件定义及加载。

(5) 其他参数求解设置

若需要计算除磁场参数之外其他的物理参数或工程参数, 如电磁力、转矩、电感、电容、电磁场能量、损耗等, 需事先设置计算这些参数。

(6) 求解方式参数设置

求解方式参数设置包括网格剖分设置和求解器残差设置。

(7) 后处理。

查看所需场图分布, 对相关参数进行计算与分析。

2.2 电磁装置仿真计算

试验设备中电磁装置采用永磁体为试验器提供恒定的磁场。其中永磁体材料选用被称为“磁能王”的稀土永磁材料——钕铁硼, 它是目前已发现的磁性能最强的永磁材料。

电磁装置由两块结构相同的钕铁硼永磁体及其固定支架组成, 两固定支架之间是试验所需的20mm工作气隙。

为了使计算结果更贴合实际, 本文使用Ansoft软件的Maxwell3D模块对电磁装置进行建模仿真, 电磁装置的三维模型图如图1所示。

建立模型后, 对所建立模型设置材料属性。模型中固定支架材料为玻璃, 永磁体材料为钕铁硼N42SH, 其他求解区域材料属性设定为空气。

所建模型的磁场边界条件自动满足无限远边界条件。由于模型结构相对简单, 网格剖分方式可设定为自适应网格剖分。之后, 将求解器的相关参数设定完成后即可进行仿真计算。

2.3后处理与结果分析

仿真计算完成后, 根据需要绘制所需要的场分布图。使用软件的后处理功能, 给出整个工作气隙内磁感应强度的磁感应强度矢量分布图, 如图2所示。

从图2中可以看出, 由于存在端部效应, 在永磁体边界部位, 磁感应强度的矢量方向有些发散, 但在工作气隙内的磁场分布比较均匀, 满足试验要求。

结语

本文采用Ansoft软件的Maxwell 3D模块建立了试验设备中电磁装置的三维仿真模型, 完成了对电磁装置的磁场仿真计算与分析。仿真结果准确反映了电磁装置的磁场分布。

将Ansoft软件应用于电磁装置的磁场计算, 不仅可以将抽象复杂的电磁场数值计算变得简单、直观、方便、灵活, 还可以将仿真计算结果用于指导电磁装置的设计, 以缩短其开发周期, 减少开发成本。

参考文献

[1]刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[2]赵博.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2010.

Ansoft软件 第3篇

关键词：磁力泵,最大转矩,有限元方法,磁路优化

1 引言

磁力泵主要由泵、磁力传动器、电动机三部分组成，通过磁力传动来实现无接触力矩的传递。当电动机带动外磁转子作旋转运动时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的无接触传递，把原来常规泵的一根轴加设轴封部件变为了两根轴加设隔离套结构，将动密封转化为静密封[1,2]。目前，磁力泵在输送酸碱腐蚀性介质、贵重液体、有毒化工液体等特殊介质的行业应用广泛[3]。

有限元法就是用较简单的问题来代替复杂问题，然后再求解。它首先将一个实际问题里具有无限多个节点连续介质的场或者结构，通过网格处理，离散成有限个节点连接起来的有限个单元进行分析，节点上的未知量可以用场的位函数来表示，位函数在相邻单元的边界上是连续的，在单元内部构造的插值函数也是连续的。然后再在单元分析的基础上，将所有的单元综合起来，进行总体的一个合成，建立整个系统的联立方程组，以得到需要的连续整体近似解[4]。

就工程技术领域中的问题来说，有限元法是目前应用比较广泛，实用性较强的一种计算方法，相比于解析分析中忽略边端效应问题，有限元法则显得更加精确，所以本文采用有限元仿真的方法对磁力联轴器的磁路进行模拟，通过研究磁极对数对磁转矩的影响，从而找出最佳磁路设计方向。

ANSOFT Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在工程电磁领域得到了广泛的应用。它是在麦克斯韦微分方程的基础上，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算问题转变为矩阵求解问题。作为我国引入较早的一款电磁场有限元分析软件，其使用领域遍及电器、机械、汽车、冶金、水利水电、石油化工、航空航天、船舶等诸多行业，为各领域的科学研究提供了方便。

2 ANSOFT软件求解步骤

ANSOFT Maxwell 2D软件应用于电磁场分析计算时包括以下几步：(1)设置求解器;(2)根据实际模型等效绘制分析模型;(3)定义各部分材料属性;(4)指定模型的边界条件：(5)进行网格划分和设置求解参数;(6)设定求解选项并进行分析求解。

3 仿真模型的建立

在ANSOFT里提供了完整的布尔运算，包括加、减、相交、分割和重叠，这些操作在很大程度上减少了建模带来的工作量。通过简单的进行布尔运算我们就可以得到复杂的模型。

我们选取的建模数据如表1所示。

由表1数据可以直接在ANSOFT Maxwell14中建立二维模型，图1中的2D模型结构从里向外，分别为内磁转子、内磁钢、内磁转子包封层、空气层、塑料层、不锈钢层、外空气层、外磁钢和外转子基体。

4磁极对数对转矩影响

磁极对数对最大磁转矩有着直接的影响，为了研究最大磁转矩与磁极对数的关系，现保证其他条件不变，只改变磁极的对数，通过有限元仿真方法得到的相关数据，如表2所示。图2为不同磁极对数模型示意图。

从表2中数据可以看出，当磁极对数取10对时，有最大扭矩。这是因为每当S、N极变化一次，静磁能的存储就会增加，因而磁极对数多能够增加静磁能的存储，从而使得静磁能转化为动能的能量释放变大。但是磁极对数也不能太多，不同磁极接触多也会导致漏磁增加，减少磁通密度，从而导致转矩下降[5]。所以，在选择磁极对数时，要根据不同模型的实际情况进行选择。

5结论

本文利用Maxwell 2D软件对内、外磁转子内部磁场进行仿真模拟，重点研究了磁极对数对最大磁转矩的影响，通过仿真结果可以看出，最大磁转矩随着永磁体磁极对数的增加，先增大，后减小，因此，在磁路设计时我们应该找到最佳磁极对数。

参考文献

[1]赵克中.磁力驱动技术与设备[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2]梅顺齐.磁性传动器传递力矩计算的探讨[J].机械设计制造,1999(3):18-19.

[3]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995.

[4]赵博,张洪亮,等.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].中国水利水电出版社,2010.

Ansoft软件 第4篇

关键词：500kV变电站,雷电过电压,避雷器

0 引言

目前变压器绕组变形研究多用离线实验方法, 成本高昂且操作复杂, 随着数值仿真计算的发展[1], 基于Ansoft对变压器短路漏磁场、电流及电磁力进行有限元仿真逐渐成为一种指导性的方法。

1 场路耦合法

对变压器求解短路电磁力以及短路电流时, 需要获取暂态电流与暂态漏磁场, 而解析法难以完成, 又由于变压器绕组各支路电流未知, 故无法指定绕组激励, 但已知高压侧激励与低压侧负载等外部参数, 因此运用“场-路”耦合法对变压器进行建模[2]。

如下图所示, R1、L1、R2、L2分别为中压侧短路电阻、短路电抗, 低压侧短路电阻、短路电抗, U1为外部激励电压, RZ为负载等效电路。在中压侧, 其表达式为

式中, Ak为第k个线饼的磁矢位;Jk为截面电密, Nk为匝数, Kk为横截面积;ek为占空比, Rk为等效电阻;Lk为等效漏电感及线饼周长, n为高压侧线饼个数。

低压侧中, 其表达式为

式中, Ai表示低压侧第i个线饼的磁矢位;Ji为截面电密, Ni为匝数;ei为感应电势;Si为截面积, Ki为占空比, Ri为等效电阻;Xi为等效漏电抗, Li为等效漏电感及线饼周长;m为低压线饼个数;Z为低压侧绕组等效漏阻抗。

对于变压器油区域, 有

将以上方程组进行时间离散, 即可得“场路”耦合的有限元方程

式中, I为节点电流矩阵;E为节点电动势矩阵;A为节点向量磁位矩阵;KAA为向量位刚度矩阵;Kii为电阻刚度矩阵;KAi为磁位-电流耦合刚度矩阵, Ci A为电感阻尼矩阵;Kie为电流-电动势耦合刚度矩阵;U0为外加电压矩阵。

2 仿真分析

2.1 模型建立

本文采用有限元数值分析软件Ansoft对一台实际运行的SFSZ11-180000/220三绕组变压器中、低压绕组进行短路电流计算以及漏磁通仿真, 变压器参数如下表所示。

为了使漏磁分布更满足实际情况, 变压器绕组采用线饼模块, 同时考虑饼间油道尺寸、线饼匝数以及占空比。考虑绕组中、低压绕组, 根据实际情况设置中、低三绕组线饼为112:179, 对应总的匝数比为336:179。线饼的宽度分别为43.5mm、88mm, 高度分别为12mm, 8mm。

建立外电路激励模型, 将上述有限元模型中高、低压绕组耦合至外电路中。激励通过高压侧交流电源供给, 有效值为110k V, 频率为50Hz。高压侧绕组电阻设为0.2Ω, 低压侧绕组电阻设为0.2Ω。

为验证模型的有效性, 在t=0时模拟短路工况。将负载端短接, 根据计算单短路阻抗值设置激励电压为8%, 也即8.8k V, 实测的低压侧短路电流波形低压侧短路电流为一随指数衰减的正弦波, 由暂态分量和稳态分量组成, 随着暂态分量的减少, 在20ms后即进入稳态, 其电流峰值为1200A, 电流有效值为为848.52A, 与计算单中高压侧额定电流858.9A相差不大, 可认为模型满足要求。

2.2 计算结果与分析

为分析变压器绕组受力情况, 对绕组电密分布与绕组漏磁分布进行仿真研究。由于低压端采用自螺旋结构, 而高压采用纠结式结构, 线饼的饱和程度不同, 从而高压电密沿轴向分布出现不同[3], t=0.01s时, 线饼内侧中间磁通量较大, 可达到0.17Weber, 两头偏小, 约为0.16Weber, 上下基本保持对称。

高、低压绕组间磁场强度较高, 基本可达到0.11Tesla, 且在中部的磁通最高, 这与磁力线的分布相符。根据洛伦兹力的计算原理推导出中间区域绕组线饼的辐向电磁力较大, 因此绕组中部易发生辐向变形。且低压绕组产生向内的压力, 高压绕组产生向外的扩力, 从而辐向可能导致线饼在圆周方向上所有导线向外凸出, 致使绕组导线拉长, 而绝缘具有不可塑性, 最终绝缘被破坏导致绕组辐向变形。据此, 研究绕组中部变形后的磁场分布以及短路电流情况具有重要意义。

3 结束语

1) 推导了变压器高压侧、低压侧以及油通道漏磁公式, 得出“场路”耦合的基本原理, 证明了“场路”耦合法在处理变压器绕组变形中的可行性。

2) 在Ansoft中建立了二维变压器模型, 在仿真中模拟短路试验验证了模型的正确性。同时对正常运行时的绕组漏磁分析, 发现绕组中部磁通量大, 可达到0.17Weber, 两头偏小, 约为0.16Weber, 上下基本保持对称, 表明绕组中部受电磁力更大易发生绕组变形事故。

参考文献

[1]Mehdi Bagheri, Mohammad Salay Naderi, Trevor Blackburn.Toan Phung Frequency response analysis and short-circuit impedance measurement in detection of winding deformation within power transformers[J].IEEE Electrical Insulation Magazine, Year:2013, 29, (3)

[2]陆佳政, 张红先, 方针, 等.基于短路阻抗法的变压器绕组变形测试装置开发[J].湖南电力, 2010 (2) :1-3.