基于AutoCAD与Maxwell的电阻型高压分压器建模与磁场仿真*

/福建省计量科学研究院

0 引言

由于高压实验的复杂性以及难以计算杂散电容的影响，通过电路方法计算分压器特性直接设计制造高压分压器，其结果很可能与预期有较大误差[1]。因此，在设计与制造中加入仿真分析环节，通过建立准静态模型实现对电阻型高压分压器的仿真，从而为分压器设计提供有效的验证手段。

Maxwell[2]（麦克斯韦）是一个功能强大、结果准确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件，包括静电场、静磁场、时变电磁场和涡流场计算等，可以用来分析电机、传感器、变压器等电磁装置的静态、稳态、正常工况和故障工况的特性。然而Maxwell自带的建模功能非常有限，处理复杂模型时较为繁琐，而AutoCAD（自动计算机辅助设计）具有强大的参数化设计能力，可以进行复杂的实体造型，并且可以提供友好的可视化界面，大大减轻用户的工作量，降低工作的复杂程度，减小误差。

因此，将CAD软件与Maxwell软件结合起来使用，充分利用CAD软件快速准确建模的优势，就可以很好地解决Maxwell建模能力的不足。基于AutoCAD建立高压分压器的三维模型，再由Maxwell有限元分析软件仿真其磁场分布，可以有效地提高建模速度，提高模型质量，简化分析工作，对工程技术人员非常有益。

1 建立三维模型

采用运行于微机平台的计算机辅助设计软件AutoCAD2008进行建模，对于具有复杂外形的对象，可以先按其几何外形特点分解为几个部件，并对各个部件分别建模，再拼接形成完整的三维实体模型。

1.1 模型分解

根据电阻型高压分压器的设计，高压分压器[3,4]结构包括底座、中间支撑柱、均压环、支撑支架、分压电阻、连接导线等。分压电阻由125支2 MΩ的高压电阻组成，因此建模时将一个高压电阻、一段连接导线及支撑该电阻的支撑支架视为一个结构单元（如图1所示），支撑支架包含一个环形柱体，导线贯穿其中，再由两个支撑脚固定在中间支撑柱上。

1.2 组合模型

建立各部件的模型后，将各个部件拼接到正确的位置上，形成整体的三维图形。将125组电阻单元环绕中间支撑柱构成分压主体，由底座支撑直立，顶部安装均压环。整体模型如图2所示。

图1 结构单元

图2 分压器模型

2 模型导入

选定磁场分析求解器后，结合CAD系统的图形优势和Maxwell强大的计算能力进行分压器建模分析。Maxwell与AutoCAD的2D转换使用DXF文件接口，3D转换使用SAT文件接口。因此，所建的高压分压器3D模型，首先在CAD中创建面域后导出为SAT文件，再由Maxwell的“Insert Maxwell 3D Design”命令读入。由于两种软件中对弧线处理的准确度不一致，模型导入Maxwell后可能会提示有重叠线、面的错误，这样需要删除这些线或重新拉伸面作布尔加。修改模型直至模型验证无误[5]。

3 模型求解及分析

建模完成后，在Maxwell中依次设置材料属性，设置激励源和边界条件，验证各项条件是否满足，自适应网格剖分，分析计算求解，在后处理中查看结果（求解过程如图3所示）。Maxwell的网格划分为自适应划分。首先是初步划分网格，求解完成后分析误差是否满足用户设定条件与准确度（如迭代次数等）。若不满足则继续按用户设置继续细分（如该模型每次细分30%），直至满足条件为止。

由于模型中电阻元件与中央支撑柱的模型尺寸相差较大，因此在模型计算时会产生不收敛或由于内存不足而数据溢出的情况。进行磁场分析时，在影响范围不大的条件下对模型进行了多种试简化，最后确定了螺旋方形体结构模拟原模型进行求解，其网格划分情况如图4所示。

图3 模型求解过程

模型求解完成后，在后处理单元中查看结果。例如两种图5所示的磁感线分布，图5（a）底座材料选用304号不锈钢，图5（b）是430号铁素体不锈钢，可以看出图5（a）电阻附近磁场最大，磁感线贯穿中央支撑柱向周围发散，渐渐减弱，磁感线穿透仪器各个部件，不受影响；图5（b）由于底座材料SS430含有弱磁性，磁感线在底座附近发生扭曲。因此在制作分压器的过程中应使用SUS304号材料，不影响磁场分布，使用电阻螺旋结构符合设计要求。改变导体的截面尺寸和形状，对离开导线一定距离(＞3倍导线直径)处的磁场影响非常小。

图4 网格划分结果

图5 磁感线分布

4 结语

CAD软件与Maxwell软件结合使用，基于AutoCAD建立高压分压器的三维模型，再由Maxwell有限元分析软件仿真其磁场分布，通过建立准静态模型实现对电阻型高压分压器的仿真，为分压器设计提供有效的验证手段，并且有效地提高了建模速度和模型质量，简化分析。

[1]张仁豫，陈昌渔，王昌长，等.高电压试验技术[M].北京：清华大学出版社，2009.

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

[3]桑琳，王斌，顾大伟.完全等电位屏蔽高值电阻器[J].宇航测试技术，2008.10（28）：47-52.

[4]李旭，俞集辉，汪泉弟，等.基于CAD技术实现汽车电磁兼容的建模和仿真[J].重庆大学学报（自然科学版），2007,12（30）：21-24.

[5]段田瑾.阻容分压器准静态场仿真方法的研究[D].华北电力大学，2010.