ANSYS在電機(jī)磁場(chǎng)中的應(yīng)用

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)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(jì)算軟件,具有強(qiáng)大的求解器和后處理功能,為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項(xiàng)目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個(gè)良好的工作平臺(tái),更使我們從繁瑣單調(diào)的常規(guī)有限元分析計(jì)算中解脫出來(lái)。

無(wú)軸承異步電機(jī)是在普通電機(jī)的定子中再嵌入懸浮控制繞組,通過(guò)懸浮繞組磁場(chǎng)對(duì)原有繞組磁場(chǎng)的作用,改變了氣隙磁場(chǎng)的對(duì)稱分布,將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生可控磁懸浮力,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的懸浮運(yùn)行。因此,討論無(wú)軸承電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理,必須從分析電機(jī)中的電磁力著手。無(wú)軸承異步電機(jī)中轉(zhuǎn)子受到了洛侖茲力和麥克斯韋力兩種不同的電磁力。計(jì)算的方法通常有等效磁路法、近似解析法、位勢(shì)磁通法和有限元法。在磁場(chǎng)分布和變化比較復(fù)雜且非線性嚴(yán)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(jì)算量。本文所討論的無(wú)軸承異步電機(jī)具有非線性飽和磁路,磁場(chǎng)變化復(fù)雜。因此,非常適合用ANSYS進(jìn)行分析。

    1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件有以下特點(diǎn):使用方便、涉及面廣、易學(xué)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(qiáng)大的后處理功能。

    1.1 ANSYS電磁場(chǎng)分析

ANSYS程序可用來(lái)分析電磁場(chǎng)多方面問(wèn)題,如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線、力等。可有效地分析多種設(shè)備,如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、螺線管傳動(dòng)器、開(kāi)關(guān)等。

ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達(dá)方式,包括各向同性或正交各向異性的線性磁導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度并進(jìn)行力、力矩、源輸入能量、端電壓和其它參數(shù)的計(jì)算。

    1.2 ANSYS軟件的分析計(jì)算步驟

    (1)創(chuàng)建無(wú)軸承異步電機(jī)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(jì)算結(jié)果。

    2 ANSYS分析無(wú)軸承異步電機(jī)的實(shí)例

為了進(jìn)一步詳細(xì)i兌明ANsYs軟件在無(wú)軸承異步電機(jī)電磁分析中的應(yīng)用,無(wú)軸承異步電機(jī)采用48齒三相2對(duì)極結(jié)構(gòu),集中式繞組,以額定功率為120w,額定電壓380V,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的無(wú)軸承異步電機(jī)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(zhuǎn)子外半徑295.5mm轉(zhuǎn)子槽數(shù)40

    轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑140mm

    轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)2 懸浮繞組極對(duì)數(shù)l

    2.1創(chuàng)建無(wú)軸承異步電機(jī)模型

包括創(chuàng)建定子模型、轉(zhuǎn)子模型和勵(lì)磁繞組。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,所以在繪圖過(guò)程中,只需要畫(huà)出它的一部分,然后對(duì)它進(jìn)行相應(yīng)的拷貝操作就可以得到完整的電機(jī)圖形。

創(chuàng)建轉(zhuǎn)子:首先建一個(gè)45°的扇行環(huán)面,在彈出的菜單中輸入相應(yīng)的半徑和度數(shù)。菜單路徑為:MainMenu—Preprocessor—Create—Circle—PartialAnnulus;其次畫(huà)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(biāo),利用Create命令創(chuàng)建一個(gè)0°-180°的半圓;②分別在半圓內(nèi)和45°圓弧外各創(chuàng)建一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),它們的橫坐標(biāo)為槽口寬度的一半;③將兩點(diǎn)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(gè)槽面;⑥再將其關(guān)于X軸映射,再將兩個(gè)半槽面相加就得到了一個(gè)完整的槽面,利用Copy命令將其復(fù)制到我們所需的位置;再利用Subtract命令進(jìn)行挖槽面,并刪除多余的面。至此,轉(zhuǎn)子的八分之一就完成了,接著利用Reflect命令將其關(guān)于x軸映射,再利用copy命令旋轉(zhuǎn)角度復(fù)制出剩余部分。創(chuàng)建定子的方法與創(chuàng)建轉(zhuǎn)子的操作基本相同。

創(chuàng)建勵(lì)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(guān)鍵點(diǎn),再將關(guān)鍵點(diǎn)連成線,最后通過(guò)線連成面即可。

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

    圖1 無(wú)軸承異步電機(jī)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(jī)電磁場(chǎng)時(shí),可以將電機(jī)定義為由定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁繞組、氣隙和轉(zhuǎn)軸5個(gè)面組成,然后分別對(duì)每一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。單擊DefindF的PickAreas,然后利用鼠標(biāo)左鍵選擇要分配材料的面,單擊OK按鈕,系統(tǒng)將給出對(duì)話框選擇所需材料,再單擊OK按鈕即可。網(wǎng)格剖分:先通過(guò)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(xiàng),在彈出的子菜單里選擇MeshTool...菜單項(xiàng),則彈出MeshT001...的子菜單;單擊Mesh按鈕,彈出對(duì)話框,單擊PickAlI按鈕,將對(duì)整個(gè)電機(jī)開(kāi)始進(jìn)行剖分,網(wǎng)絡(luò)剖分圖見(jiàn)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(biāo)左鍵選擇邊界。

    圖2網(wǎng)格剖分圖

加勵(lì)磁電密具體步驟如下:選擇菜單路徑:Main Menu—Solution—Excitation用鼠標(biāo)左鍵選擇需要加勵(lì)磁電密的繞組(注意電流方向),單擊“OK”按鈕,在彈出對(duì)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(duì)話框中單擊OK按鈕。

    2.4查看計(jì)算結(jié)果

當(dāng)完成了以上操作后,可以得到矢量磁位、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等結(jié)果和磁力線、等磁位線等曲線,圖3是無(wú)軸承異步電機(jī)磁力線分布圖。

    圖3磁力線分布圖

用FMAGBc宏能自動(dòng)給要計(jì)算力和力矩的部分加標(biāo)志,因此我們?cè)诔绦蛑惺褂肍MAGBC?！皀ame”。該宏自動(dòng)加虛位移和Maxwell面標(biāo)志,name是我們?yōu)檗D(zhuǎn)子(力作用部分)所設(shè)定的組元。

加了MxwF標(biāo)志的面,可計(jì)算麥克斯韋力。先選擇單元,再對(duì)麥克斯韋力進(jìn)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(diǎn)系列號(hào),FMAGx、FMAGY、FMAGz為X、Y、Z方向上的電磁力分量,FMAGSUM為總的電磁力和。

    圖4氣隙均勻時(shí)磁懸浮力與懸浮繞組電流關(guān)系

由可以計(jì)算出在氣隙磁場(chǎng)定向控制下、氣隙均勻時(shí)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(chǎng)算法所得磁懸浮力與懸浮繞組電流的關(guān)系曲線。圖中轉(zhuǎn)矩繞組電流均為額定值?？梢园l(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(jì)算結(jié)果能較好地吻合。

    3 結(jié)論

ANSYS軟件是一種功能強(qiáng)大的有限元軟件,可以靈活方便地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析、計(jì)算。在科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。本文根據(jù)有限元原理,利用ANSYS軟件對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)建模、加載、求解和后處理,因此利用ANSYS軟件對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

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