【《中频变压器铁心损耗有限元仿真计算案例分析》2600字】

中频变压器铁心损耗有限元仿真计算案例分析1.1模型建立（1）在MAXWELL16有限元分析软件中，搭建变压器的2D模型。在二维静磁场中对变压器进行分析。执行命令Project/InsertMaxwell2DDesign。将工程名更改为core-loss-ringcore保存。选择求解器类型Tool/Options/Maxwell2Doptions，选择瞬态场（Transient），坐标平面选择XY坐标类型，如图4-1所示。图4-1求解器菜单对话框（2）绘制变压器铁芯（core）：绘制铁芯外圆Circle1，铁芯内圆Circle2。在属性栏同时选中Circle1和Circle2，右击后选择Edit>Boolean>Subract，弹出如图4-2所示对话框，执行铁芯外圆Circle1与内圆Circle2的布尔运算（由Circle1减去Circle2），得到铁芯圆环图，在属性栏中将铁芯更名为Core，如图4-3所示。图4-2“布尔运算”对话框图4-3铁芯圆环（3）绘制绕组外线圈(Winding-out)：绘制绕组外圆Circle3和绕组内圆Circle4，在属性栏同时选中Circle3和Circle4，右击后选择Edit>Boolean>Subract，弹出如图所示对话框，执行绕组外圆Circle3与内圆Circle4的布尔运算（由Circle3减去Circle4），得到绕组外圆环图，在属性栏中将绕组更名为Winding-out，如图4-4所示。图4-4绕组外线圈（4）绘制绕组内线圈(Winding-in)：同理按照绘制外绕组圆环方法，绘制绕组内圆环，如图4-5所示。图4-5绕组内线圈（5）变压器有限元求解仿真几何模型如图4-6所示，由变压器油箱、铁芯、绕组、变压器外壳组成。图4-6变压器几何模型1.2仿真过程1.2.1设置各部件材料属性变压器各部件材料如表4-1所列。表4-1变压器各部件材料变压器部件材料变压器铁芯（core）自定义材料（nanocrystalline）变压器内绕组（winding-in）铜（copper）变压器外绕组（winding-out）铜（copper）通过属性窗口给对象设置材料属性的步骤如下：1）选择要设置材料属性的部件对象。2）在属性窗口中选择材料设置。3）在材料数据库中选择想要的材料。4）单击OK按钮完成设置。（1）绕组材料属性设置。在绘图区中选择winding-in后，在工程状态栏左键点击材料Material，出现下拉菜单然后选择Edit，出现如图4-7所示。选择copper，点击确定；绕组外环winding-out同理设置。图4-7材料编辑界面（2）外壳内部区域材料属性设置：在绘图区中选择Region后，在工程状态栏左键点击材料Material，出现下拉菜单然后选择Edit。选择Vacuum，点击确定。（3）变压器铁芯材料属性设置：在材料库中没有我需要的材料，则必须添加新的材料。在属性栏中先选中core调出铁芯材料设置对话框，如图4-8所示。将MaterialName设置为nanocrystalline，在PropertiesoftheMaterial下的relativepermeability选择Nonlinear，单击B-HCurve，将出现如图4-9所示的B-H曲线输入对话框，可在左侧栏中直接输入相应的B-H曲线数据。图4-8新材料属性定义界面图4-9非线性材料属性定义1.2.2设置绕组激励和边界条件（1）设置绕组激励本次仿真需要激励比较复杂所以利用外激励源。利用AnsoftMaxwellCircuitEditor[19]绘制外电路图，如图4-10所示。图4-10正弦激励外电路图进入模型仿真界面，在工程管理栏选中Excitations右击选择ExternalCircuit>EditExternalCircuit…，弹出如图4-11所示（编辑外电路）对话框。图4-11外电路激励编辑对话框关闭外电路设计界面，外电路设置完成。2）设置边界条件弹出VectorPotentialBoundary对话框，如图4-12所示。设置Name为zero，并在Value项內定义边界上的矢量磁位数值为0，点击确定按钮。图4-12狄里克莱边界条件1.2.3设置剖分参数与剖分操作选中core，在弹出SkinDepthBased对话框，设置Name设置为SkinDepth1，SkinDepth设置为1mm，NumberofLayersofElements设置为2，SurfaceTriangleLength设置为20mm，MaximumnumberofSurfaceElements为1000，如图4-13所示。图4-13铁芯“剖分设置”对话框选中winding_in和winding_out，在菜单栏里AssignMeshoperation>OnSelection>LengthBased…，在弹出的设置对话框中Name分别设置为Length1和Length2，MaximumLengthofElements设置为0.1mm，如图4-14所示。图4-14绕组“剖分设置”对话框各部件的剖分参数设置完成后，即可对模型进行实际剖分操作：右击Analysis后选择ApplyMeshOperations，开始网格剖分，得到如图4-15所示剖分图。图4-15剖分图1.2.4求解设置力和力矩，执行命令Maxwell2D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup,添加求解设置。在求解设置窗口中，有五个选项卡，分别是General设置、SaveField设置、Advanced设置、Solver设置和Defaults设置。如图4-16所示是General求解设置项。Name设置为Step1，StopTime（停止时刻设置）设置为1ms，TimeStep（计算时间步长设置）设置为5e-007。图4-16瞬态磁场中General设置SaveFields项设置Type为LogScale，Start为0s，Stop为0.001s，Step为0.005，并点击AddtoList按钮将需要存储的时刻保存在右侧状态栏中。Advance选项卡为默认值，Solver选项卡中Nonlinear项设置为0.0001.1.2.5分析自检执行菜单命令Maxwell2D/ValidationCheck，进行分析自检，如图4-17所示。自检合格后，进行求解运算。图4-17“自检”对话框1.2.6占空比可调的矩形电压激励下的铁心损耗仿真计算在占空比可调的矩形波电压激励下的仿真计算第1、3、4、5步骤见1.2.2节。1．设置各部件材料属性2．设置绕组激励和边界条件绘制外激励电路，电路图如图4-18所示。图4-18非正弦矩形波外激励电路图将外激励于模型联系起来，边界条件设置步骤见1.2.2节。3．设置剖分参数与剖分操作见1.2.2。4．求解设置操作见1.2.2。5．分析自检操作见1.2.2。1.3仿真结果1.3.1正弦激励源如图4-17所示，正弦激励外激励电压源电路图，图4-19是一个周期内电压波形。图4-190~1ms内电压波形图4-20剖分图图4-20是变压器网格剖分图。在瞬态场分析中实现了变压器铁芯损耗的仿真计算。图4-21变压器磁通分布图图4-21给出了变压器在10kH，0.0005s时的磁通分布图。图4-22一个周期内电流波形有图4-20和图4-22可以看出，在0.5ms时刻电流达到峰值，变压器铁芯磁通密度在0.31~0.52T之间，再结合铁芯材料nanocrystalline的BH曲线，在这个范围内铁芯材料工作在非饱和区间。所以在整个周期中，铁芯都处于非饱和区域内。图4-23变压器铁芯损耗分布图图4-24在场计算器中计算结果变压器在1ms内铁芯损耗变化如图4-25所示。图4-25变压器铁芯损耗变化1.3.2非正弦激励源图4-26为占空比为0.5的矩形波外激励电压波形。图4-26非正弦激励电压波形图4-27变压器剖分图在瞬态场分析中实现了变压器铁芯损耗的仿真计算，图4-28给出了变压器在10kH，占空比可调的矩形波激励下，0.0001425s时的磁通分布图。图4-28变压器磁通分布图图4-29变压器铁芯损耗分布图图4-30一个周期内电流波形图4-31变压器损耗变化1.4结果分析1.1.1原始Steinmetz公式参数拟合原始Steinmetz公式中的K、、生产厂家会给出，在不同的频率范围，不同会有不同。在不知道这三个参数的情况下，就需要通过对铁芯施加不同正弦激励，测出铁芯损耗的功率密度，经过拟合计算出OSE中的参数。再测得纳米晶在不同频率范围和不同的铁芯损耗功率密度。本文研究中频段（1~10kHz）范围，在0.1~0.5T范围所以只在这个范围内测铁损值。利用MATLAB对实际测量值进行曲线拟合[20]，得出中频范围的原始Steinmetz经验公式，如式4-1所示：(21)1.1.2Steinmetz修正方法与有限元仿真计算结果对比将上面得到的三个参数带入到（18）（19）（20）中，对三种修正算式的准确性进