基于ANSYS的松耦合变压器的研究

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EE型松耦合变压器的精确磁路模型和仿真分析

EE型松耦合变压器的精确磁路模型和仿真分析

EE型松耦合变压器的精确磁路模型和仿真分析张建伟;曹彪【摘要】介绍电动汽车感应充电系统松耦合变压器的特性,通过Ansoft有限元分析软件对松耦合变压器进行仿真分析,结合简化磁路模型和磁力线分布,得出大气隙下的EE磁芯的精确模型.结合精确模型和模拟结果,给出横截面积对耦合系数的影响,实际制作变压器,测量发现,面积增加,耦合系数得到提高,输出电压能力增强,为松耦合变压器的优化设计和进一步实验提供理论指导和参考.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2013(021)011【总页数】4页(P81-84)【关键词】电动汽车;松耦合变压器;Ansoft耦合系数【作者】张建伟;曹彪【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TM402目前,电能主要是由导线通过插头插座直接接触进行能量传送。

这种电能传输方式由于存在物理接触和电气接触,在诸如潮湿、易燃易爆等环境中的应用受到限制,而且可靠性差,影响美观,浪费大量的走线。

新型感应供电系统综合运用电磁耦合技术、高频变换技术以及电力电子等技术,通过采用一、二次侧可分离的松耦合变压器将电能从电源侧经气隙传递给一个或多个用电系统[1-5]。

文中研究了电动汽车感应充电系统的关键装置松耦合变压器,通过分析磁路及横截面积对变压器的初次级绕组电感和耦合性能的影响,结合Ansoft有限元分析软件对松耦合过程进行了仿真和分析,得出EE型松耦合变压器精确磁路模型,并绕制了松耦合变压器,测量实际数据,对比实验效果。

1 感应充电技术简介感应充电主要分为3类[1],考虑电动汽车需要,文中选用第一类感应充电方式。

结合文献[2],在同等条件下,EE磁芯传输效率较高,成本相对较低,故文中选用EE磁芯进行设计。

电动汽车充电系统框图如图1所示,松耦合变压器左侧部分在地面,右侧部分在车体上,通过松耦合变压器实现能量的无接触传输。

ANSYS10.0软件在松耦合变压器中的三维仿真分析过程介绍

ANSYS10.0软件在松耦合变压器中的三维仿真分析过程介绍

ANSYS10.0 软件在松耦合变压器中的三维仿真分析
过程介绍
当今变压器领域已经发展到很成熟的阶段,轻量、高效、高密度是当今变压器发展目标。

在变压器产品研发中,利用有限元仿真软件,可以方便地改变变压器的结构参数,观察这些参数对变压器的影响。

ANSYS 是世界上着名的大型通用有限元分析软件,也是中国用户最多、应用最广泛的有限元分析软件,它融结构、热、流体、电磁、声学等专业的分析于一体,可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航天航空、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道等各种工业建设和科学研究。

引言
作为旋转导向智能钻井系统核心部件的可控偏心器,其原理是利用电机泵产生推动翼肋伸缩的动力,当采用电机泵动力时,电机泵的能量来源于井下涡轮发电机。

由于可控偏心器的机械结构决定了电机泵要安装在不旋转套上,而发电机要安装在旋转的主轴上,这样就涉及到旋转和不旋转之间的能量传输问题。

以前一直采用的是接触式滑环能量传输方式,由于接触式滑环存在安装不方便、旋转时易磨损、易受到井下钻井液、水的腐蚀以及泥浆的影响等缺陷,迫切需要一种新的非接触式能量传输方式松耦合电能传输技术。

作为松耦合电能传输技术的核心部分松耦合变压器,对它的研究则显得尤为重要。

基于PSCAD-ANSYS的变压器绕组振动特性仿真研究

基于PSCAD-ANSYS的变压器绕组振动特性仿真研究

基于PSCAD-ANSYS的变压器绕组振动特性仿真研究杨贤;王丰华;何苗忠;林春耀【摘要】To further understand the vibration mechanism of transformer winding,the whole simulation of winding vibration response under short circuit was made based on the co-simulation of PSCAD and ANSYS software.The short-circuit current was obtained based on the electro-magnetic transient analysis of PSCAD software under sudden short-circuit impact.Then the simulation of magnetic field and mechanical field excited by the short circuit current was achieved and the transformer vibration characteristics excited by the electro-dynamic force was acquired.The data communication mechanism has been elegantly designed and implemented to combine the electrical model and vibration model,which makes the co-simulation more intergratded and rigorous.With the developed simulation model,the vibration response of a power transformer in the 110kV substation was calculated and the effectiveness of the proposed simulation method was verified.When sudden short-circuit was occurred,the vibration response of transformer winding was increased greatly and then reduced gradually,which was similar to the variation trend of short-circuit current.The frequency component of vibration signals are more complicated.%为进一步理解和掌握短路冲击下变压器绕组的振动特性,本文基于PSCAD-ANSYS联合仿真实现了变压器突发短路下振动响应的全过程分析,即根据PSCAD软件计算得到的变压器绕组短路电流,在ANSYS软件中使用电磁场和机械场模块计算了变压器绕组的电动力和振动响应.其中,两个软件之间的电流和时间等关键信息的交换通过数据通信接口方式实现.以某110kV变电站为例对变压器突发短路下的振动响应进行计算分析,结果表明,所提出的联合仿真方法能够有效计算突发短路时变压器绕组的振动特性.突发短路时,变压器振动响应与短路电流变化趋势类似,绕组振动在短路故障发生后先达到最大值,然后伴有一定的衰减分量,振动信号频谱分量更加丰富.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】6页(P51-56)【关键词】变压器绕组;突发短路;振动响应;联合仿真;PSCAD;ANSYS【作者】杨贤;王丰华;何苗忠;林春耀【作者单位】广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080;电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海交通大学,上海200240;电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海交通大学,上海200240;广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080【正文语种】中文【中图分类】TM411变压器是电力系统中的关键设备之一,其运行可靠性与稳定性直接关系到电力系统的安全运行。

基于ANSYS软件的油浸式变压器温度场有限元仿真计算

基于ANSYS软件的油浸式变压器温度场有限元仿真计算

基于ANSYS软件的油浸式变压器温度场有限元仿真计算薛飞;陈炯;周健聪;李忠【摘要】应用传热学和流体力学原理分析了变压器内部生热以及散热机制,建立了流固耦合的变压器温度场有限元分析模型,并在此基础上选取了适当的边界条件及求解参数,在综合考虑非线性热源以及随温度变化的油动力粘度的前提下,采用有限元分析软件ANSYS计算了变压器内部的温度场分布,确定了热点的温度及位置.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2015(031)002【总页数】5页(P113-116,126)【关键词】油浸式变压器;热点温度;温度场;流固耦合;有限元;ANSYS软件【作者】薛飞;陈炯;周健聪;李忠【作者单位】上海电力学院电气工程学院,上海200090;上海电力学院电气工程学院,上海200090;国网四川省电力公司资阳供电公司,四川资阳641300;国网四川省电力公司资阳供电公司,四川资阳641300【正文语种】中文【中图分类】TM411;TM743随着电力建设的不断推进,电力设备朝着大型化方向发展,但大型变压器的内部温升控制问题一直是近年来困扰电网运行部门的技术难题之一.《GB/T 1094.7—2008油浸式电力变压器负载导则》中明确指出:“绕组最热区域内达到的温度,是变压器负载值的最主要限制因素,故应尽一切努力来准确地确定这一温度值”.[1]当热点温度超过指定限值时,会加速绝缘老化,缩短变压器寿命,影响变压器的正常运行.因此,开发合适的温度场计算技术,准确计算绕组热点温度及位置是亟待解决的问题.目前,计算变压器热点温度的依据一般是实验结果和实践经验,但其误差较大,不能反映最热点温度和变压器内部整个温度的分布,并且难以确定热点的准确位置.[2]因此,笔者从传热学和流体力学理论出发,结合强大的有限元分析软件ANSYS,建立了油浸式变压器的有限元分析模型,分析并计算了变压器稳态运行下的温度场分布,较为准确地定位出热点的位置.1 发热及传热原理1.1 变压器的热源变压器内部的热量主要由损耗转化而来,包括绕组损耗和铁心损耗,可以表示为:[3]式中:PT——总损耗;PC——铁心损耗;PL——绕组损耗.绕组中的损耗包括直流电阻损耗、涡流损耗及杂散损耗等,其中直流电阻损耗占主要部分,可表示为:式中:I2R——绕组的电阻损耗;PW——绕组中的涡流损耗;PZ——杂散损耗.铁心损耗主要由铁心中的磁滞损耗和涡流损耗构成,可以表示为:式中:P1——铁心中的磁滞损耗;P2——铁心中的涡流损耗;δh——磁滞损耗系数;δe——涡流损耗系数;f——电流频率,Hz;Bm——磁通密度的最大值,Wb/m2.绕组的涡流损耗和直流电阻损耗产生的热量直接作用于绕组,从而引起绕组温度升高,并且也是变压器内部热量的主要来源.1.2 传热机理分析对于油浸式变压器来说,运行中所产生的热量主要以传导和对流方式进行传递,其热量散失过程如图1所示.图1 变压器内部传热原理示意热量的传递过程分为4个部分:一是铁心、绕组产生热量,经内部传导,热量传递到与油接触的外表面;二是外表面的热量经过对流传递到油,油温逐渐升高;三是变压器油向上流动,接触油箱壁,油温下降,油向下流动;四是冷油回到底部又重新流入绕组,形成了闭合的对流路线.油箱壁对空气的辐射传热可忽略不计.因此,热传递在变压器内部固体间表现为热传导,在固体与油之间表现为对流.通过适当假设以及参照能量守恒定律可得出热传导的数学模型[4]假设如下.(1)绕组为各向同性的连续介质.(2)导体的密度、比热容和导热率均为常物性.(3)导体内部有热源且均匀分布.q v为单位体积的生热率,V为导体体积,则qv=P/V.所得微分方程式如下:式中:a——热扩散率,即导温系数;λ——导热系数;c——比热;ρ——密度.在不考虑时变的稳态传热时,式(4)可简化为:对流主要取决于对流换热系数、固体与油流温度差、换热表面积,实际工程中采用牛顿冷却公式:[2]式中:hf——对流换热系数;S——换热表面积;tw——固体表面温度;tf——油流温度.由于对流过程中油的导热系数、比热及密度都是温度的函数,因此正确确定hf是计算变压器内部温度场的关键.[5]2 ANSYS模型的建立ANSYS软件是融合电场、磁场、温度场于一体的大型通用有限元分析软件.其强大的多物理场耦合计算功能使其在跨领域多变工程中得到广泛的使用.[6] ANSYS Workbench Environment(AWE)作为新一代多物理场协同 CAE仿真环境,集建模、有限元分析、优化设计3大模块于一体,为设计人员提供了系统级的解决方案.本文就是利用Workbench对油浸式变压器内部流固耦合的环境进行仿真分析.2.1 确定边界条件及物性参数本仿真过程为稳态求解,即发热和散热达到热平衡.固体所用的比热、导热系数及材料密度均为常数,油的物性参数采用拟合输入,见表1.热源密度为常数,环境温度及初始油温为20℃.表1 变压器油物性参数油的物性数拟合公式动力粘度μ μ=11.71exp(-0.02T)密度ρ ρ=894-0.6(T-273)比热 C C=807.163+3.58T本文所模拟的油浸式变压器只考虑自然对流,并且忽略油箱壁对空气的辐射散热,因此用到两类边界条件,即第1类边界条件和第3类边界条件.油与铁心、绕组及油箱壁之间是典型的对流换热,属第3类边界条件,满足:式中:λ——导热系数;n——法方向.由于油箱的几何形状比较规则,因此自然对流换热系数hf可取均值.式中:Nu——努塞尔数;Ra——瑞利数,Ra=GrPr;G r——格拉晓夫数;α——热膨胀系数,α =1/T;β——运动粘度,m2/s;H——特征尺寸,m;Δt——温差,℃;C,n——比热和法方向,数值由试验确定;Pr——普郎特数.油流与绕组的对流散热比较复杂,由于各绕组的生热率、几何形状及空间位置都不同,使得它们与油之间的hf相差较大,不能采用均值.事实上,油流可分为层流和湍流,两者换热效果相差较大,可通过雷诺系数Re来判断:式中:v——流体流速;ρ——流体密度;L c——特征尺寸;μ——动力粘度.当Re<2 300时,流动为层流,反之为湍流.对于油箱壁面则用到了传热学中的第1类边界条件,即规定流体边界上的温度为常数20℃.2.2 仿真模型及网格划分本文所选变压器为三相对称,且各相关量的变化成轴对称,即温度场的分布在变压器内部沿圆周方向没有梯度变化,这里选用其中一相,作1/4三维轴对称圆柱体模型进行温度场计算.模型的参数如下:油箱尺寸为820 mm×800 mm×500 mm;铁心导热系数为40 W/mK;生热率为9 651.39 W/m3;绕组导热系数为336W/mK;低压绕组平均生热率为28 954.17 W/m3;高压绕组平均生热率为12 578.81 W/m3.网格划分的方式对分析结果影响较大,本模型为流固耦合模型,因此采用完全非结构化分段划分方法,[7]在耦合交界面以及温度梯度较大的部位网格较细,这样在保证精度的前提下又不至于过分影响系统的计算效率.网格划分后的局部模型如图2所示.图2 模型上端部网格划分2.3 程序计算流程仿真计算流程如图3所示.需要注意的是,要先建立流体场分析模型,在此基础上再建立固体模型,添加材料属性和划分网格.计算结束后对每一次的计算结果进行收敛性以及精度的判断,当精度未达到要求时,返回修改流场参数及网格参数,然后再次进行迭代计算,直到达到足够精度为止.[8]图3 仿真计算流程2.4 仿真结果及分析利用ANSYS软件计算了在环境温度20℃下,额定容量为2 500 kW且在额定负荷运行下的变压器的温度场分布情况,其轴截面温度场分布如图4所示.图4 温度场分布从图4可以看出,铁心及绕组的温度分布都不均匀,下部温度低,上部温度高;最低温度出现在铁心的下端部分,最热点则出现在低压绕组内侧轴向80% ~85%处,其温度为85.7℃,低于变压器所规定的参考温度98℃.[1]从传热学及流体力学的角度考虑,热量从绕组的内侧以一定的传导系数向外传热,在绕组表面与油接触后进行对流换热,沿轴向向上流动,因此要带走一部分热量;同时,绕组上端部散热效果比下端部差,从而使得上面温度高于下面温度;高压绕组在外层,散热效果比低压绕组好,因此温度低于低压绕组.3 结语本文采用ANSYS软件对油浸式变压器进行了建模与仿真,考虑油粘滞度随温度的变化及非线性的绕组发热功率,最后得到变压器内部温度场分布图,并结合传热学及流体力学的原理对所得结果进行了分析.经与经验测量结果及 IEEE推荐方法计算值对比发现,计算精度可满足工程要求,同时也为热点位置的定位提供了理论依据. 参考文献:【相关文献】[1]中国电器工业协会.GB/T 1094.7—2008油浸式电力变压器负载导则[S].北京:中国标准出版社,1994.[2]傅晨钊,汲胜昌,王世山.变压器绕组温度场的二维数值计算[J].高电压技术,2002,28(5):10-12.[3]陈伟根,苏小平,周渠,等.基于顶层油温的变压器绕组热点温度计算改进模型[J].重庆大学学报,2012,35(5):69-75.[4]曲德宇,刘文里,韩波.干式变压器绕组温度场的二维数值分析[J].变压器,2011,48(12):21-25.[5]崔伟,张喜乐,李永刚,等.基于Fluent软件的干式变压器绕组热点温度计算与分析[J].电力科学与工程,2011,27(1):32-35.[6]温波,刘爽,冯加奇,等.油浸式电力变压器绕组温度场的二维仿真分析[J].变压器,2009,46(9):35-38.[7]杜莉,王秀春.油浸式变压器内流场和温度场的数值模拟研究[J].变压器,2012,49(1):19-22.[8]李季,罗隆福,许加柱.电力机车主变压器油箱三维温度场有限元分析[J].高电压技术,2005,31(8):21-23.。

基于松耦合变压器的效率测试系统设计

基于松耦合变压器的效率测试系统设计

基于松耦合变压器的效率测试系统设计丰江波;李岩松;赵蒙蒙;李柏江;刘君【摘要】设计能够输出频率连续可调且满足电压需求的最大传输效率测试系统,从而确定出松耦合变压器对应的最佳工作频率,对于非接触式电能传输系统的效率最大化有着重要意义.从松耦合变压器传输特性出发,对主电路,功率放大电路,高频变压器进行设计,对于整个传输效率系统进行了详细的设计计算,包括选择磁芯材料、确定磁芯结构和型号.最后,搭建实验平台,分别对功率放大电路与整个系统的输出性能和带负载能力进行了实验测试,在满足课题要求的前提下确定了松耦合变压器传输效率最高时对应的最佳工作频率.【期刊名称】《电测与仪表》【年(卷),期】2018(055)013【总页数】6页(P111-116)【关键词】松耦合变压器;高频变压器;传输效率;工作频率【作者】丰江波;李岩松;赵蒙蒙;李柏江;刘君【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TM4330 引言传统的电能传输方式存在着接触电火花、导线漏电、机械磨损等问题,易受粉尘、污物等环境因素影响[1-2]。

磁感应耦合式无线输电技术利用发射线圈产生的交变磁场将电能耦合到接收线圈,从而实现对负载的无线电能传输。

它因利用松耦合变压器来进行无直接接触式电能传输而具备方便、安全、适应性强等优势,已受到了电气、电工等方面的广泛关注,并已广泛应用到航空航天、石油矿井、水下作业等特殊领域[3-5]。

非接触式电能传输系统的核心部件是松耦合变压器(可分离变压器),原、副边存在磁导率很小而磁阻很大的空气气隙,使其耦合系数远小于1,传输效率很难达到要求,而这个弊端通常需要提高输入电压的频率来改善。

基于ANSYS有限元分析的耦合装置结构优化设计

基于ANSYS有限元分析的耦合装置结构优化设计

基于ANSYS有限元分析的耦合装置结构优化设计作者:高克来源:《西部论丛》2019年第34期摘要:通过分析耦合装置的工作原理,运用Pro/ENGINEER三维建模软件对耦合装置实体建模,采用ANSYS仿真技术对耦合装置进行静力学分析,为设计提供合理的数据支持。

通过优化之后,大大节约材料成本及加工成本,提高了耦合装置在使用时的可靠性,采用有限元分析技术不仅可以减轻工作量,缩短设计周期,而且能提高分析精度。

关键词:耦合装置;ANSYS;有限元分析一、前言隨着国家环保法的出台以及人们对环保的意识不断增强,潜污泵成了人们生活生产中不可或缺的排污机械设备[1],而应用的范围也越来越广泛,带自动耦合装置安装方式的潜水泵可以让检修人员不用下水就能够对水泵进行检修和安装,然而自动耦合安装却是潜污泵最主要的安装方式,在实际设计和应用中,会有一些设计不合理的耦合装置的存在,从而导致装置漏水或者铸件断裂等问题的出现。

主要的原因就在于没有专业的人指导设计人员、经验不够丰富等等一系列的问题。

利用ANSYS有限元分析软件,在耦合装置设计阶段就可以对其受力进行分析计算,从而能够及时有效的避免缺陷,优化设计,减少人力物力的浪费,耦合装置作为潜水泵安装过程中的重要组成部分,有必要对其进行机械计算校核。

二、工作原理介绍如图1所示,传统的耦合装置包括耦合底座、导杆、耦合滑板、耦合法兰、耦合底座,使用前先将耦合底座固定在水池底部的基础上,采用地脚螺栓固定,将上固定板固定在池口,耦合底座和上固定板之间安装导杆,耦合底座出水口和水管连接,耦合滑板和潜水泵连接,然后将耦合滑板一端和导轨配合,水泵就可以上下移动,水泵放到底部时会和耦合底座配合,使水泵出水口和耦合底座出水口连通,这样在水泵通电启动后就可以将水抽出水池;当需要对水泵进行检修时,只需要提拉水泵上方的吊链就可以将水泵提出水池,检修人员无需下入水池内部。

本次分析的新设计耦合装置工作原理和传统耦合装置相同,只是将原来的刚性导杆换成柔性导链加刚性导杆的组合型导杆,具体结构如图2所示:三、有限元分析本计算利用Pro/ENGINEER软件进行三维实体模型的建立,然后将实体模型导入Ansys Workbench软件中进行有限元仿真。

基于ANSYSMaxwell的750kV自耦变压器直流偏磁仿真_刘渝根

基于ANSYSMaxwell的750kV自耦变压器直流偏磁仿真_刘渝根
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高电压技术 第 3 9卷 第1期 2 0 1 3年1月3 1日
,V H i h V o l t a e E n i n e e r i n o l . 3 9,N o . 1, J a n u a r 3 1, 2 0 1 3 g g g g y
基于 A N S Y S M a x w e l l的7 5 0k V 自耦变压器直流偏磁仿真
[ ] 5 6 -
, 直流电流通过中性点流入变压器绕组
时会产生直流偏磁现象 , 铁芯因高度半周过饱和而
) 。 基金资助项目 :国家创新研究群体基金 ( 5 1 0 2 1 0 0 5 P r o e c t s u o r t e d b F u n d f o r I n n o v a t i v e R e s e a r c h G r o u s o f C h i n a j p p y p ( ) 5 1 0 2 1 0 0 5 .
1 变压器场路耦合模型的建立
1 . 1 基本理论 电磁 分 析 问 题 实 际 上 是 求 解 给 定 边 界 下 的 M a x w e l l方程组问题 , M a x w e l l方程组是研究和分析 变压器内部 M 电磁现象的一个基本依据 , a x w e l l方
] 1 9 程的微分形式满足[
0 引言
我国电能资源的供需分布不均 , 为满足大功率、 远距离跨区输电的要求 , 高压直流输电在中国电网 中的地位越来越重要
[ ] 1 3 -
增加了变压器的无功 使励磁电流产生较大的谐波 , 消耗, 造成变压器振动增强 , 金属结构件和油箱局部
] 7 1 0 - , 过热, 对变压器的稳定运行带来极大影响[ 因此
D C B i a s S i m u l a t i o n o f 7 5 0k V A u t o t r a n s f o r m e r B a s e d o n A N S Y S M a x w e l l

非接触供电装置研究与设计

非接触供电装置研究与设计

非接触供电装置研究与设计摘要:在研究和分析了非接触电能传输(clpt-contactless power transfer)技术原理和应用领域的基础上,针对其clpt系统的关键技术问题进行讨论,基于ansys有限元分析方法建立了clpt系统的磁路模型、互感模型,分析了系统的传输特性,简化了松耦合变压器参数的计算方法,讨论了各种电容补偿结构对系统传输效率的影响,设计了高频逆变电路。

另外,在理论研究和仿真分析的基础上,搭建了小功率非接触供电装置,验证了设计的正确性。

关键词:非接触电能传输技术;松耦合变压器;电容补偿引言非接触电能传输技术简称 clpt (contactless power transmission),此项技术打破了电能只能通过有线方式传输的思维定势,它能在恶劣或特殊环境下代替传统的电插座,使供电侧与用电侧通过非接触的方式,间隔数毫米至十几厘米进行能量传输[1]。

我国在这一领域的研究起步较晚,从本世纪初开始,国内科研工作者开始进行相关的研究。

2001 年,西安石油学院的李宏首次在国内期刊中系统地讲述了非接触式电能传输技术的原理及应用。

重庆大学孙跃教授及其课题组从2002年开始对非接触式电能传输技术的基础理论及工程应用进行研究,自主研发了三代样机系统,并申请或授权了多项专利。

此外,浙江大学电气工程学院、中科院电工研究所、西安交通大学电气学院、南京航空航天大学等科研机构在基础理论和相应的应用领域内也做了大量的工作。

本文基于非接触式电能传输技术,自主设计完成松耦合变压器,从而设计出非接触供电传输系统,并针对手机非接触供电一些基本技术要求来为小功率负载供电。

由于没有电气连接,从根本上消除了在插拔普通电插座时产生的电火花,从而避免了因电火花引起的灾难事故。

1 非接触供电装置整体结构设计clpt系统是基于电磁感应原理的电能传输方式,电路转换是将输入clpt系统的直流电通过高频逆变电路转为高频交流电提供给松耦合变压器的原边;通过原边与副边线圈之间的电磁耦合将能量传输至松耦合变压器的副边;副边线圈上的感应电动势经整流滤波成为直流电并通过稳压模块加在负载电阻rl上。

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开发设计基于ANSYS 的松耦合变压器的研究张 磊 周 静 李 星(西安石油大学井下测控研究所 陕西西安)摘 要:文章利用大型有限元软件ANSYS,对松耦合变压器的磁芯和线圈建模,分析了影响松耦合变压器效率的主要参数。

通过ANSYS 中的场路耦合仿真求出初级、次级的电流、电压,然后求出效率,并与实际测得松耦合变压器的效率进行对比分析,得出了影响松耦合变压器效率的主要因素,对松耦合变压器的研发有很大的帮助。

关键词:场路耦合;松耦合变压器;耦合系数中图法分类号:TM 401+,1 文献标识码:B 文章编号:1004-9134(2009)01-0018-030 引 言松耦合变压器(Loosely Coupled Transformer,LCT)将其原边和副边分开一定的距离实现电能的无接触传输。

由于有气隙的存在,磁动势主要降落到气隙的磁阻上,导致松耦合变压器的效率很低,所以,提高松耦合无接触电能传输系统的效率成为首要解决的难题。

本文利用有限元ANSYS 软件,分析影响变压器效率的关键参数[1~4]。

ANSYS 的最大优点就在于对模型的有限元计算区域的局部变化非常敏感,并且模型几何尺寸的改变,变压器参数的改变易于实现,从而为松耦合变压器的分析提供了有利的工具。

1 E 型铁磁阻分析[5、6]E 型磁芯及等效磁路如图1所示。

图1(b)中将两个E 型铁对接,中间有气隙的情况图1 E 型磁芯及等效磁路下求出整个磁路中的磁阻。

线圈磁势降落在磁芯和气隙两部分:F =NI =H C L +H r (F 为磁动势)。

式中H C 和H 分别为磁芯和气隙的磁场强度。

虽然气隙不大,因空气磁导率比磁芯磁导率低得多,所以气隙磁场强度H 比磁芯磁场强度H C 大得多。

A =57mm;B =23.8mm ;C =25.9mm;D =18.8mm;E =38.2mm ;F =14.4mm ;a =(A -E )/2=9.4mm;r =0.2mm ;L 1=F +(B -F )/2=19.1mm ;L 2=E 2+A-E 4=28.5mm 。

半个E 型磁芯尺寸见图1(a)所示,中柱的截面积:A 1=C D =486.92mm 2;边柱截面积:A 2=(A -E )2 C =A 12=243.46mm 2;端部面积:A 3=(B-F ) C =243.46mm 2。

第一作者简介:张 磊,男,1985年生,西安石油大学井下测控研究所2006届在读研究生,研究方向为旋转导向钻井技术。

邮编:71006518石 油 仪 器PE T ROLEUM INSTRUMENTS2009年02月所以各段磁路磁阻为:R 1=L 1A 1=3.1215 103(H -1);R 2=L 2 A 3=9.3155 103(H -1);R 3=L 1 A 2=6.2430 103(H -1);其中: 0=4 10-7H /m; = 0 10000根据经验公式可得出气隙磁导为:GA =GC =4 0a c 4r +m (a +c )(r +m )+0.13(a +c )+0.077r +m4=1.6597 10-6(H )GB =4 0D c 4r +m (D +c)(r +m )+0.13(D +c)+0.077r +m4=3.2239 10-6(H )根据磁欧姆定律:F =NI = R 即: NI = R ,在线圈匝数,和流过电流一定的情况下磁路中磁阻越大,磁路中的磁通量 就越小。

从计算磁阻的结果可以看出,气隙中的磁阻比整个磁芯中的磁阻还要大好多倍,所以气隙在松耦合变压器中是影响变压器效率的主要因素;中柱间的气隙磁阻要比边柱的气隙磁阻要小,可以得出,扩大边柱的截面可以减小气隙磁阻。

2 影响耦合系数的参数[7、8]衡量变压器好坏的主要参数就是耦合系数,理想变压器的耦合系数为1,而松耦合变压器的耦合系数随着气隙的加大而减小。

下面通过ANSYS 仿真改变变压器的一些结构参数观察耦合系数的变化。

2.1磁芯形状对耦合系数的影响对EI 和EE 型两种铁芯分别在铁芯之间加气隙后观察耦合系数随气隙增加的变化规律。

EI 型磁芯耦合系数随气隙变化图如图2、3所示。

图2 EI 型磁芯耦合系数随气隙变化图图3 EI 型磁芯耦合系数随气隙变化图从图2及图3中可以看出,在气隙不是很大的时候,随着气隙的增加,耦合系数在大幅度地下降,当气隙增加到一定的程度后,耦合系数降低的幅度逐渐减小。

图2中两线圈之间的距离不随着气隙增加而变化,所以,随着I 型铁的远离耦合系数最低降低到0.8,在5mm 气隙内耦合系数随气隙增加下变化率很大,在超出519 2009年 第23卷 第1期 张 磊等:基于ANSYS 的松耦合变压器的研究mm 气隙时,变化率变的很小。

在图3中,随着气隙的增加,次级线圈和初级线圈的间距也在逐渐加大,所以,当气隙增加到一定程度后,耦合系数可以降低为0。

2.2 磁芯相对磁导率对耦合系数的影响[9、10]变压器是能量传输器件。

激磁电流提供能量传输条件,不参加能量传输。

因此激磁存储能量越小越好,即希望用高磁导率材料的磁芯。

一般磁芯在气隙为0.2mm 时改变磁芯的相对磁导率(设磁芯为线性的)观察耦合系数的变化系数关系如图4所示。

图4 磁芯相对磁导率与耦合系数关系图从图4中我们可以看出,随着相对磁导率的提高耦合系数也在提高,但是幅度不是很大,没有气隙对耦合系数的影响强。

虽然铁芯材料对耦合系数影响很小,但是为了减少铁损,磁芯材料应该选择,较高电阻率的高频磁导磁材料。

2.3 改变气隙观察漏磁变压器次级与初级全耦合不好时,存储在漏感中的能量不能传输到相应的次级,即漏感不参与能量传输。

漏感是变压器的寄生参数,应当越小越好。

但是随着气隙的增加,变压器中的漏磁将逐渐增加见图5。

当漏磁增加后,通过变压器中柱上的磁通量就会减少,也就是穿过次级线圈的磁通量减少,根据电磁感应原理,次级的感应电动势将减少。

为了获得和没有气隙的情况下同样的感应电动势,必须提高输入电流的频率,增加磁通量的变化率,增加通过次级线圈的磁通量,漏磁随气隙的变化如图5所示。

3 实测效率和仿真效率对比为了分析方便,在仿真时将磁芯设为线性导磁材料,相对磁导率定为:10000;不考虑涡流损耗;气隙间距:0.2mm 。

仿真结果见表1。

图5 漏磁随气隙的变化表1 R =11.8 仿真结果初级电压/V初级电流/A 次级电压/V 次级电流/A 效率/%92.20.03594 3.6850.3124334.7441150.0454.60.3916734.15从上面结果分析,将线圈间距设为0.2mm 时,效率就变为34%。

可见在工频50Hz 下松耦合变压器的效率是很低的。

在工频输入电压(50Hz)的情况下,负载为11.8的情况,测得变压器初级次级电流电压见表2。

表1 R =11.8 实测结果初级电压/V初级电流/A 次级电压/V 次级电流/A 效率/%92.20.047 3.90.3827.21150.0655.00.3926.87从表1和表2的分析对比可以看出,仿真和实测的效率误差在6%~8%之间。

其中次级的电流电压值基本上和实际测量的电流电压值基本相符合。

造成误差的主要原因就是初级线圈的励磁电流。

由于篇幅所限制,表中只列出初级电压在92.2V 和115V 两种情况。

因为仿真中,磁芯的磁导率假设为线性的,而实际中的硅钢片磁特性用非线性的B-H 磁滞回线来表示的,所以,仿真和实测值存在的一定的误差。

4 结 论利用ANSYS 对松耦合变压器进行建模仿真,可以方便地改变变压器的关键参数,利用场路耦合求出耦合系数和初级次级的电流电压,然后求出变压器的效率。

通过改变松耦合变压器的主要参数,可以得到影响松耦合变压器效率的关键参数和这些关键参数对松耦合变压器效率的影响规律,进而推动松耦合变压器领域的发展。

(下转第23页)20石 油 仪 器PE T ROLEUM INSTRUMENTS2009年02月试,共计五十余块板的调试任务,应用效果理想,达到了预期的目的。

新的随钻测量仪数据采集测试系统结图3 数据采集测试界面合实际应用设计,有效的提高了仪器的测量精度,数据可以保存、两组数据可以比较,省去许多繁琐的数据抄写、演算工作,提高了工作效率。

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words:Seismic prospecting exploration;Communication;Network;Network bridge;Data acquisitionLu Fang,Gao Hongjun,Li Jian and Ren Lijuan.Genera-l purpose data acquisition and transportation module oflogging tool.PI,2009,23(1):5~8Based on the basic principle obtained by analyzing the function of data acquisition and transportation module of log -ging tool,the genera-l purpose data acquisition and transportation module is advised,which employs the FPGA and DSP as core circuit,and coordinates with the ADC and CAN transceiver chips.This module completes the control and data acquisition of logging circuit by FPGA,transmits data to DSP by FIFO,and then sends the data acquired by C AN inter to TCC (Telemetry Cable Communication Module).The module is high -integration and high -flex ible,and may be used in the majority of logging tool by revising the internal procedure of DSP and FPGA,w ithout modifying the hardware cir -cuit.Experiment results indicate that the proposed module has excellent temperature performance and has been applied to the CPL s logging tools based on EILog06system successfully.Key words:Logging Tool;DSP;FPGA;Data AcquisitionYan Minjie,Dang Ruirong,Yuan Aming and Xie Yan.The study of a three component induction logging sys -tem.PI,2009,23(1):9~12In this article,we develop the configuration and arrangement of coil array of the three component induction logg ing tool and the focusing method of coil array.Transmission focusing mode is adopted for the principal coil arrays ,and re -ceiver focusing mode is adopted for the cross coil arrays.The horizontal detecting depth and longitudinal resolution are improved by appropriate selecting the sonde turns,space,and the best detecting performance is demonstrated by calcu -lating geometry factor and studying the forward and inversion in anisotropic formation.Key words:three component;focusing means;geometry gene;resolving power;detecting performanceWu Yangyang and Zhang Yuying.Design and implementation of multiplexer of logging cable cores.PI,2009,23(1):13~14By using multiplex ing technology,a new type of multiplexer of logging cable cores is designed based on the require -ments of the logging information system in cased hole formation resistivity logging.It can control the transition function of logging cable core.And the optoelectronic isolator is used to avoid interference of control signal.The problem of limited logging cable number is solved effectively.Key words:multiplexel cable core;relay;cased hole formation resistivity loggingSu Nan,Pang Jufeng,Li Zhen and Liang Juan.Numerical calculation method of acoustic ful-l wave loggingand its application.PI,2009,23(1):15~17With the application of acoustic full-wave,the numerical calculation methods of acoustic ful-l wave are developedstep by step.It is important theory guiding to the oilfield exploration and development.This paper introduced the real axis integration and finite difference methods in the exploration of acoustic communication under the ground.According to the determination of the lithology ,porosity and oil saturation,this paper illustrates the application of acoustic full-w ave in actual logging.Key words:acoustic ful-l wave;numerical calculation method;application Zhang Lei,Zhou Jing and Li Xing.The study of loosely coupled transformer based on ansys.PI,2009,23(1):18~20,23By using ansys software,we build Loosely Coupled Transformer modle for analyzing the main parameter.By using the method of electric field and magnetic field coupling ,w e calculate the current and voltage of primary and secondaryVol.23No.1 PETROLEUM INSTRUMENTSPETROLEUM INSTRUMENTS Feb.2009 w inding,and then figure out its efficiency.Finally,w e compare simulation efficiency w ith ture measure efficiency. Through the analysis of the article,we get the main factors which affect the efficiency of loosely coupled transformer, which is helpful for the development of this field.Key words:electric field and magnetic field coupling;Loosely Coupled Transformer;coefficient of couplingLv Xiaowei,Yang Yaping,Zhu Huanfen and Huang Fupengjie.Design of MWD data acquisition test System. PI,2009,23(1):21~23The MWD data acquisition test system is designed to emulate how MWD acquires data and to debug the key A/D module more correctly.Data acquisition controller selects M68HC08,and communication betw een single chip processor and A/D module may be accomplished by SPI.The acquisition data are sent to computer by RS232and are converted to analog voltage signals with C software.The final data are saved by EXCEL and outputted through report forms.It comes true that data are saved over DB and much more data are compared because of the Ex cel format.Key words:data acquisition;M68HC08series single chip processor;A/D conversion;SPI interface;RS232serial in-terface;Excel formatPan Zhongyin,Liang Baojiang and Qu Xuezhen.Study of seismic instrument system test.PI,2009,23(1):24~ 27There are no general test and check rules for various traditional seismic data acquisition system.Based on seismic instrument s test and check principle before acceptance.The paper summarizes the specification of the seismic data ac-quisition system,including environmental requirement,technical specification and test methods.It might be used to guide the seismic instrument system test.Key words:seismic survey;instrument;system testPan Junying,Liu Xiangyou and Zhu Zhonghai.PL2000computerized production logging system.PI,2009,23 (1):28~30PL2000Computerized Production Logg ing System adopts Windows Operating System.VISUAL C++Language is applied to the programs.The system can work not only with the domestic production logging tools but also the logg ing tools which use single conductor cable produced by Computalog Company.The main functions and design train of the system are analyzed in the paper from two aspects of software and hardware.Key words:Production Logging;Computerized System;Signal AcquisitionZhang Yukun,Liu Jun,Zhang Yuping and Zhang Pengxiang.Geowaves Vsp mult-i array digtal tool and its ap-pliction.PI,2009,23(1):31~34The Geow aves Vsp mult-i array digital tool,which is manufactured by SERCEL,is the most advanced VSP equip-ment in the world.It includes all the new technology of the VSP,and it w ill provide the most reliable equipment for ac-quisition of the VSP data in the different VSP observer mode in the oilfield exploration and development.The essay intro-duces the component,function and technology parameters of Geowaves Vsp system in detail.Key words:Geowaves Vsp;source;digital geophoneWang Yinsheng,Yang Jinzho,Han Laiju,Zhang Haihua and Shi Binquan.Development of MWD equipment. PI,2009,23(1):35~36MWD equipment of down hole engineering parameters is an important drilling instrument.The paper introduces principle of the equipment and elaborates its design proposal and steps of enhancing its reliability.Experiment proves the accuracy and reliability is satisfactory.The equipment is worth generalizing.Key words:near the bit;drilling;MWD;reliabilityLi Chunzhou,Qian Jun,Du Shifeng and Tang Zhenhuan.Application of pulsed-neutron oxygen activation wa-ter flowage logging tool(WFL)in Jiangsu oilfield.PI,2009,23(1):37~40By contrasting w ith limitations of the traditional injection profile logging technique,This paper introduces the princ-i ple,properties and technology characteristics of the Oxygen Activation Water Flowage Logging Tool(WFL)and analyzes the application in injection profile logging,bypass channel,and profile control operation evaluation.Key words:Injection profile;Pulsed-neutron;Oxyen activationHuang Fang,Zhang Shizhong,Peng Meixia,Dai Chunfang and Feng Bin.The development of the simulator of the SZS CBL.PI,2009,23(1):41~42,46This paper introduces the development and application of the simulator of the SZS three combination logging tools. The simulator can be used to simulate not only the transmitting and receiving of the acoustic system,but also the pulse signals of the CN.It can largely save man power and material resources,and effectively improve efficiency to make use of this simulator to detect the circuitry of the SZS combination logg ing tools.Key words:SZS combination tools;simulator;logic control;damping surging;frequency divider。

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