ANSYS在“電器學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 張 輯 莊巧斐 卓志強(qiáng) 薛 勇 蔣蓮明

一、引言

“電器學(xué)”課程是電氣信息類的一門專業(yè)課，該課程主要介紹了電器有關(guān)發(fā)熱與電動(dòng)力、電接觸與電弧、電磁機(jī)構(gòu)等理論基礎(chǔ)，同時(shí)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(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)參數(shù)與要求，以及有關(guān)的設(shè)計(jì)選用方法，同時(shí)也介紹了高壓電器中各種高壓斷路器、高壓熔斷器、隔開關(guān)、高壓互感器等的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要的技術(shù)參考與要求。

結(jié)合課程設(shè)計(jì)或科研課題，參考相關(guān)文獻(xiàn)，采用典型工程項(xiàng)目，運(yùn)用ANSYS 軟件 ，獲得數(shù)值結(jié)果，形成可視化場(chǎng)分布圖，讓學(xué)生對(duì)電器學(xué)理論以及工程設(shè)計(jì)獲得感性認(rèn)識(shí)，并提高學(xué)生分析和設(shè)計(jì)電器產(chǎn)品的的能力。

電器學(xué)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的基本內(nèi)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(fā)熱理論、電動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

在很多的高壓開關(guān)設(shè)備中，主要部分基本是滅弧室，滅弧室的結(jié)構(gòu)特性與安全穩(wěn)定性，在一定程度上影響高壓開關(guān)設(shè)備的工作能力。現(xiàn)在在國內(nèi)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(duì)于具有合閘、隔離、接地用功能的三工位滅弧室的研發(fā)必然對(duì)中國電網(wǎng)有很大的影響。將真空滅弧室通過填封包封在環(huán)氧樹脂殼體內(nèi)，即形成固封極柱，它能夠避免外力和外界環(huán)境對(duì)真空滅弧室的影響，增強(qiáng)了外絕緣強(qiáng)度，減少了裝配工作量，最大限度地減少了裝配過程出現(xiàn)的差錯(cuò)。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(yùn)用ANSYS 來分析其電場(chǎng)分布，既能體現(xiàn)課程的電器理論，又能結(jié)合了電器設(shè)計(jì)的實(shí)踐情況。

二、ANSYS 簡(jiǎn)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(jìn)行電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、接觸分析，可以用它來求解一切物理場(chǎng)或結(jié)構(gòu)問題。而應(yīng)用最廣泛的是有限元法，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、多物理場(chǎng)耦合、電路理論學(xué)、電磁場(chǎng)學(xué)等。

ANSYS 的特點(diǎn)在于具有開放性和適應(yīng)性特性，能更高效地完成工作。因此它被廣泛應(yīng)用于很多的工業(yè)領(lǐng)域：航空、汽車、醫(yī)學(xué)、建筑、科技產(chǎn)品、機(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。

ANSYS Workbench 分析過程包括4個(gè)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(zhǔn)備與確認(rèn)工作，具體操作步驟為后三個(gè)步驟，如圖1所示。

1.前處理

前處理指的是用建模軟件來創(chuàng)建所需的三維實(shí)體模型。它包括建立或?qū)霂缀文Ｐ汀⒍x材料屬性、劃分網(wǎng)格等幾項(xiàng)內(nèi)容。它自帶實(shí)體建模功能，用戶可以用它構(gòu)造有限元模型或者直接導(dǎo)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(duì)所需要分析的實(shí)體模型或節(jié)點(diǎn)單元施加所預(yù)定的各種外在條件，各種加載條件種類羅列如下。包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析（線性靜力分析）、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析（模態(tài)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析）、熱力學(xué)分析、接觸分析、電磁場(chǎng)分析、疲勞分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、復(fù)合材料分析、以及多物理場(chǎng)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(jié)構(gòu)體的慣性所引起的載荷

（3）體積載荷—作用區(qū)域位于體積上或場(chǎng)域內(nèi)的載荷

（4）自由度DOF—定義節(jié)點(diǎn)的自由度（DOF）值

3.后處理

（1）通用后處理：用來觀看整個(gè)模型的瞬時(shí)分析結(jié)果。

（2）時(shí)間歷程后處理：用來觀看不一樣的時(shí)間間隔或載荷步驟上的模型的結(jié)果，通常應(yīng)用于解決瞬態(tài)分析和動(dòng)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(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示計(jì)算結(jié)果，也可以以圖表、曲線形式顯示或輸出計(jì)算結(jié)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(jù)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(guān)的導(dǎo)電零件同時(shí)嵌入到環(huán)氧樹脂這類容易固化的固體絕緣材料中形成極柱，使整個(gè)斷路器極柱成為一個(gè)整體的部件，它能夠避免外力和外界環(huán)境對(duì)真空滅弧室的影響，增強(qiáng)了外絕緣強(qiáng)度，減少了裝配工作量，最大限度地減少了裝配過程出現(xiàn)的差錯(cuò)。根據(jù)草圖進(jìn)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(chǎng)分析

1.麥克斯韋方程

麥克斯韋方程實(shí)際上由4 個(gè)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(xù)性定律。

（1）安培環(huán)路定律

沿任何一條閉合路徑的磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的線積分在數(shù)值上相當(dāng)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(dǎo)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(yīng)定律

沿著任何一條閉合回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線積分，正比于穿過該閉合回路的磁通量隨時(shí)間的變化率。用積分表示為

（3）高斯電通定律

沿著任何一個(gè)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(xù)性定律

穿過任何一個(gè)閉合曲面的電位移的面積分恒等于零

2.對(duì)模型進(jìn)行電場(chǎng)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(lán)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(guī)律的。

五、結(jié)束語

本文基于電磁場(chǎng)，完成了10kV 組合開關(guān)的性能分析及優(yōu)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(chǎng)分析。以形象直觀的電場(chǎng)分布圖，加深學(xué)生對(duì)電器學(xué)理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解實(shí)踐，提高了學(xué)生的興趣。實(shí)際教學(xué)情況表明，這種教學(xué)手段可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。

[1]夏天偉.電器學(xué)[D].機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[2]王召斌，尚 尚，任萬濱.基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的《電器學(xué)》課程教學(xué)方法研究[J].機(jī)電元件，2014

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

[4]杜彥明，顧霓虹.國內(nèi)配電開關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀及事故情況[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002

[5]黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人們郵電出版社，2013