基于AutoCAD與Maxwell的電阻型高壓分壓器建模與磁場仿真*

/福建省計量科學研究院

0 引言

由于高壓實驗的復雜性以及難以計算雜散電容的影響，通過電路方法計算分壓器特性直接設計制造高壓分壓器，其結果很可能與預期有較大誤差[1]。因此，在設計與制造中加入仿真分析環節，通過建立準靜態模型實現對電阻型高壓分壓器的仿真，從而為分壓器設計提供有效的驗證手段。

Maxwell[2]（麥克斯韋）是一個功能強大、結果準確、易于使用的二維/三維電磁場有限元分析軟件，包括靜電場、靜磁場、時變電磁場和渦流場計算等，可以用來分析電機、傳感器、變壓器等電磁裝置的靜態、穩態、正常工況和故障工況的特性。然而Maxwell自帶的建模功能非常有限，處理復雜模型時較為繁瑣，而AutoCAD（自動計算機輔助設計）具有強大的參數化設計能力，可以進行復雜的實體造型，并且可以提供友好的可視化界面，大大減輕用戶的工作量，降低工作的復雜程度，減小誤差。

因此，將CAD軟件與Maxwell軟件結合起來使用，充分利用CAD軟件快速準確建模的優勢，就可以很好地解決Maxwell建模能力的不足。基于AutoCAD建立高壓分壓器的三維模型，再由Maxwell有限元分析軟件仿真其磁場分布，可以有效地提高建模速度，提高模型質量，簡化分析工作，對工程技術人員非常有益。

1 建立三維模型

采用運行于微機平臺的計算機輔助設計軟件AutoCAD2008進行建模，對于具有復雜外形的對象，可以先按其幾何外形特點分解為幾個部件，并對各個部件分別建模，再拼接形成完整的三維實體模型。

1.1 模型分解

根據電阻型高壓分壓器的設計，高壓分壓器[3,4]結構包括底座、中間支撐柱、均壓環、支撐支架、分壓電阻、連接導線等。分壓電阻由125支2 MΩ的高壓電阻組成，因此建模時將一個高壓電阻、一段連接導線及支撐該電阻的支撐支架視為一個結構單元（如圖1所示），支撐支架包含一個環形柱體，導線貫穿其中，再由兩個支撐腳固定在中間支撐柱上。

1.2 組合模型

建立各部件的模型后，將各個部件拼接到正確的位置上，形成整體的三維圖形。將125組電阻單元環繞中間支撐柱構成分壓主體，由底座支撐直立，頂部安裝均壓環。整體模型如圖2所示。

圖1 結構單元

圖2 分壓器模型

2 模型導入

選定磁場分析求解器后，結合CAD系統的圖形優勢和Maxwell強大的計算能力進行分壓器建模分析。Maxwell與AutoCAD的2D轉換使用DXF文件接口，3D轉換使用SAT文件接口。因此，所建的高壓分壓器3D模型，首先在CAD中創建面域后導出為SAT文件，再由Maxwell的“Insert Maxwell 3D Design”命令讀入。由于兩種軟件中對弧線處理的準確度不一致，模型導入Maxwell后可能會提示有重疊線、面的錯誤，這樣需要刪除這些線或重新拉伸面作布爾加。修改模型直至模型驗證無誤[5]。

3 模型求解及分析

建模完成后，在Maxwell中依次設置材料屬性，設置激勵源和邊界條件，驗證各項條件是否滿足，自適應網格剖分，分析計算求解，在后處理中查看結果（求解過程如圖3所示）。Maxwell的網格劃分為自適應劃分。首先是初步劃分網格，求解完成后分析誤差是否滿足用戶設定條件與準確度（如迭代次數等）。若不滿足則繼續按用戶設置繼續細分（如該模型每次細分30%），直至滿足條件為止。

由于模型中電阻元件與中央支撐柱的模型尺寸相差較大，因此在模型計算時會產生不收斂或由于內存不足而數據溢出的情況。進行磁場分析時，在影響范圍不大的條件下對模型進行了多種試簡化，最后確定了螺旋方形體結構模擬原模型進行求解，其網格劃分情況如圖4所示。

圖3 模型求解過程

模型求解完成后，在后處理單元中查看結果。例如兩種圖5所示的磁感線分布，圖5（a）底座材料選用304號不銹鋼，圖5（b）是430號鐵素體不銹鋼，可以看出圖5（a）電阻附近磁場最大，磁感線貫穿中央支撐柱向周圍發散，漸漸減弱，磁感線穿透儀器各個部件，不受影響；圖5（b）由于底座材料SS430含有弱磁性，磁感線在底座附近發生扭曲。因此在制作分壓器的過程中應使用SUS304號材料，不影響磁場分布，使用電阻螺旋結構符合設計要求。改變導體的截面尺寸和形狀，對離開導線一定距離(＞3倍導線直徑)處的磁場影響非常小。

圖4 網格劃分結果

圖5 磁感線分布

4 結語

CAD軟件與Maxwell軟件結合使用，基于AutoCAD建立高壓分壓器的三維模型，再由Maxwell有限元分析軟件仿真其磁場分布，通過建立準靜態模型實現對電阻型高壓分壓器的仿真，為分壓器設計提供有效的驗證手段，并且有效地提高了建模速度和模型質量，簡化分析。

[1]張仁豫，陳昌漁，王昌長，等.高電壓試驗技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]劉國強，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]桑琳，王斌，顧大偉.完全等電位屏蔽高值電阻器[J].宇航測試技術，2008.10（28）：47-52.

[4]李旭，俞集輝，汪泉弟，等.基于CAD技術實現汽車電磁兼容的建模和仿真[J].重慶大學學報（自然科學版），2007,12（30）：21-24.

[5]段田瑾.阻容分壓器準靜態場仿真方法的研究[D].華北電力大學，2010.