ANSYS在電機磁場中的應用

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

ANSYS軟件是世界上著名的大型通用有限元分析計算軟件,具有強大的求解器和后處理功能,為我們解決復雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關提供了一個良好的工作平臺,更使我們從繁瑣單調(diào)的常規(guī)有限元分析計算中解脫出來。

無軸承異步電機是在普通電機的定子中再嵌入懸浮控制繞組,通過懸浮繞組磁場對原有繞組磁場的作用,改變了氣隙磁場的對稱分布,將在轉子上產(chǎn)生可控磁懸浮力,實現(xiàn)了轉子的懸浮運行。因此,討論無軸承電機的運行機理,必須從分析電機中的電磁力著手。無軸承異步電機中轉子受到了洛侖茲力和麥克斯韋力兩種不同的電磁力。計算的方法通常有等效磁路法、近似解析法、位勢磁通法和有限元法。在磁場分布和變化比較復雜且非線性嚴重的情況下,有限元法精度最高,而使用ANSYS軟件既保證了有限元分析的高精度,又大大降低了計算量。本文所討論的無軸承異步電機具有非線性飽和磁路,磁場變化復雜。因此,非常適合用ANSYS進行分析。

1 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件有以下特點:使用方便、涉及面廣、易學易用,高效方便的繪圖功能,靈活多樣的剖分網(wǎng)格形狀,疏密程度,多種可選擇的迭代求解器,強大的后處理功能。

1.1 ANSYS電磁場分析

ANSYS程序可用來分析電磁場多方面問題,如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線、力等?？捎行У胤治龆喾N設備,如發(fā)電機、電動機、螺線管傳動器、開關等。

ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式,包括各向同性或正交各向異性的線性磁導率,材料的B.H曲線和永磁體的退磁曲線。后處理功能允許用戶顯示磁力線、磁通密度和磁場強度并進行力、力矩、源輸入能量、端電壓和其它參數(shù)的計算。

1.2 ANSYS軟件的分析計算步驟

(1)創(chuàng)建無軸承異步電機有限元分析模型;

(2)定義和分配材料,網(wǎng)格剖分;

(3)施加邊界條件和載荷,并求解;

(4)查看并保存計算結果。

2 ANSYS分析無軸承異步電機的實例

為了進一步詳細i兌明ANsYs軟件在無軸承異步電機電磁分析中的應用,無軸承異步電機采用48齒三相2對極結構,集中式繞組,以額定功率為120w,額定電壓380V,額定轉速為3000r/min的無軸承異步電機為例:

定子外半徑475mm 氣隙0.5mm

定子內(nèi)半經(jīng)260mm 定子槽數(shù)48

轉子外半徑295.5mm轉子槽數(shù)40

轉子內(nèi)半徑140mm

轉矩繞組極對數(shù)2 懸浮繞組極對數(shù)l

2.1創(chuàng)建無軸承異步電機模型

包括創(chuàng)建定子模型、轉子模型和勵磁繞組。由于電機結構的對稱性,所以在繪圖過程中,只需要畫出它的一部分,然后對它進行相應的拷貝操作就可以得到完整的電機圖形。

創(chuàng)建轉子:首先建一個45°的扇行環(huán)面,在彈出的菜單中輸入相應的半徑和度數(shù)。菜單路徑為:MainMenu—Preprocessor—Create—Circle—PartialAnnulus;其次畫阻尼槽,創(chuàng)建槽面的具體操作如下:

①確定槽底的圓心坐標,利用Create命令創(chuàng)建一個0°-180°的半圓;②分別在半圓內(nèi)和45°圓弧外各創(chuàng)建一個關鍵點,它們的橫坐標為槽口寬度的一半;③將兩點連成線;④將該線分別和圓弧的外圈弧線及半圓用Overlap搭接;⑤再利用線創(chuàng)建出半個槽面;⑥再將其關于X軸映射,再將兩個半槽面相加就得到了一個完整的槽面,利用Copy命令將其復制到我們所需的位置;再利用Subtract命令進行挖槽面,并刪除多余的面。至此,轉子的八分之一就完成了,接著利用Reflect命令將其關于x軸映射,再利用copy命令旋轉角度復制出剩余部分。創(chuàng)建定子的方法與創(chuàng)建轉子的操作基本相同。

創(chuàng)建勵磁繞組具體操作如下:先根據(jù)菜單路徑MainMenu→Preprocessor→Create→Keypoint創(chuàng)建關鍵點,再將關鍵點連成線,最后通過線連成面即可。

由此,無軸承異步電機的有限元分析模型就已經(jīng)創(chuàng)建好了,如圖1所示。

ANSYS在電機磁場中的應用+培訓教程圖片1

圖1 無軸承異步電機的模型圖

2.2定義和分配材料.劃分網(wǎng)格

定義材料:采用ANsYS軟件分析電機電磁場時,可以將電機定義為由定子、轉子、勵磁繞組、氣隙和轉軸5個面組成,然后分別對每一個面輸入它的磁化曲線。菜單路徑為:MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels...。

分配材料:用Preprocessor下的Define來實現(xiàn)。單擊DefindF的PickAreas,然后利用鼠標左鍵選擇要分配材料的面,單擊OK按鈕,系統(tǒng)將給出對話框選擇所需材料,再單擊OK按鈕即可。網(wǎng)格剖分:先通過菜單路徑MainMenu→Preprocessor→Meshing→SizeCtr→Basic選擇網(wǎng)格剖分的精度,再在主菜單MainMenu里,單擊Preprocessor菜單項,在彈出的子菜單里選擇MeshTool...菜單項,則彈出MeshT001...的子菜單;單擊Mesh按鈕,彈出對話框,單擊PickAlI按鈕,將對整個電機開始進行剖分,網(wǎng)絡剖分圖見圖2。

2.3加邊界條件和載荷,并求解

邊界條件:本文采用的是平行邊界條件,具體步驟如下:選擇菜單路徑:MainMenu→Solution→AppIy>→Boundary→Par 1 on lines,再單擊鼠標左鍵選擇邊界。

ANSYS在電機磁場中的應用+培訓教程圖片2

圖2網(wǎng)格剖分圖

加勵磁電密具體步驟如下:選擇菜單路徑:Main Menu—Solution—Excitation用鼠標左鍵選擇需要加勵磁電密的繞組(注意電流方向),單擊“OK”按鈕,在彈出對話框中輸入電密值,再單擊“0K”按鈕。

求解:選擇菜單路徑:Main Menu→solution>→Electromagnet→Opt&solv,在彈出的對話框中單擊OK按鈕。

2.4查看計算結果

當完成了以上操作后,可以得到矢量磁位、磁場強度、磁感應強度等結果和磁力線、等磁位線等曲線,圖3是無軸承異步電機磁力線分布圖。

ANSYS在電機磁場中的應用+培訓教程圖片3

圖3磁力線分布圖

用FMAGBc宏能自動給要計算力和力矩的部分加標志,因此我們在程序中使用FMAGBC?！皀ame”。該宏自動加虛位移和Maxwell面標志,name是我們?yōu)檗D子(力作用部分)所設定的組元。

加了MxwF標志的面,可計算麥克斯韋力。先選擇單元,再對麥克斯韋力進行列表,命令為PRNsOL、fmag,可將這些力求和以得到合力。以下是根據(jù)上述方法求得的數(shù)據(jù)列表,NoDE為節(jié)點系列號,FMAGx、FMAGY、FMAGz為X、Y、Z方向上的電磁力分量,FMAGSUM為總的電磁力和。

ANSYS在電機磁場中的應用+培訓教程圖片4

ANSYS在電機磁場中的應用+培訓教程圖片5

圖4氣隙均勻時磁懸浮力與懸浮繞組電流關系

由可以計算出在氣隙磁場定向控制下、氣隙均勻時不同懸浮繞組電流下的磁懸浮力。圖4給出了按本文解析算法和ANSYS軟件的電磁場算法所得磁懸浮力與懸浮繞組電流的關系曲線。圖中轉矩繞組電流均為額定值。可以發(fā)現(xiàn),由兩套繞組產(chǎn)生的磁懸浮力大小與兩繞組電流成正比,兩種計算結果能較好地吻合。