ANSYS电机电磁场有限元分析

2013-08-13 by:广州CAE有限元应用中心来源:仿真在线

ANSYS电机电磁场有限元分析

1 前言

    ANSYS软件是一个功能强大、灵活的,融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。广泛用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程等一般工业及科学研究领域的设计分析。

    在实际的电机电磁场分析中,电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定,但是当转子相对十定子齿槽的位置不同时一,其计算结果也不相同。为了分析电机电磁场问题,若把定、转子相对位置固定不变进行求解,再对电磁场计算结果进行傅立叶级数分解来计算电机绕组的电势则误差太大。为此,需要对定、转子不同位置时一分别进行计算,然后通过电磁场的计算结果求出电机何个定子齿部磁通随转角变化的关系,然后根据磁通的变化率求出电机基波绕组的电势。ANSYS软件是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一,应用ANSYS软件来分析电机电磁场是非常有效的。但是当采用ANSYS软件的图形用户界面( GUI)操作方式时,每次定、转子之间的旋转、网格剖分、施加载荷进行求解、查看计算结果等都需要人工进行重复操作,使用起来非常繁琐,并且效率低。为此,木文采用ANSYS软件的APDL语言编写的软件对同步发电机的空载磁场进行研究,实现了电机定、转子之间的自动旋转,自动网格剖分,自动施加载荷以及自动求解的功能。整个电磁场分析过程无需人工进行干预,使用方便,便于修改,并且大大提高了计算速度。通过对同步发电机电磁场计算结果进行后处理,得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。

2 软件实现

ANSYS软件提供了图形用户界面与命令流两种方式来分析电机电磁场问题。在电机电磁场计算中,命令流方式和图形用户界面方式相比,具有以下优点:(1)通用性好,对于同系列、同型号的电机电磁场计算只要对电机的尺寸参数进行修改即可,而采用ANSYS的图形用户界面方式进行电机电磁场计算,每次计算都要重新输入图形,没有通用性;(2)通过合理应用ANSYS的APDL语言编写一个两重循环程序就可实现转子自动旋转和自动施加励磁电流的功能,与ANSYS的图形用户界面方式相比,减少了人机交互的次数,缩短了计算时间。

    2.1软件编写

    ANSYS软件自带的APDL语言的编写方法有两种,一种是对ANSYS软件的命令及相关参数非常熟悉的情况下,只需在一个新建的文本文档中直接编写;另一种是对ANSYS软件的命令及相关参数不很清楚的情况下命令流程序的编写。由于ANSYS软件提供的图形用户界面与命令流这两种方式之间是一一对应的,也就是说,当执行一步图形用户界面操作,ANSYS软件就会自动把相应的命令保存所设置的工作文件中,然后将该命令拷贝到一个新建的文木文档中,保存起来。具体操作为【List】-【File】-【Log File】。这样,只需要使用一次完整的图形用户界面操作,就可以编写出相应的命令流程序。本文将ANSYS的APDL语言应用于同步发电机空载磁场中,为了计算准确,在同一个励磁电流下,在一个定子齿距内均分20等份,对何一等份计算一次电机电磁场;也就是说计算20个定、转子不同位置时一的电机电磁场。软件的流程图如图1所示。流程图中N1表不一个定子齿距内均等份数,N2表不施加励磁电流的个数(工祝数)I、J表示循环变量。

    2.2软件调用

    在ANSYS软件环境下点击菜单[File]-[Readlnput From],在系统弹出的对话框中,选中所保存的文件名后,点击OK按钮。

3 同步发电机空载磁场有限元分析

    电机内部的电磁场分布较为复杂,采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差。为保证计算的准确性,一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。在同步发电机空载电磁场计算中,为了便于计算电机旋转时一的磁场变化,没有利用电机磁场的对称性和周期性对电机的一个磁极进行电磁场分析,而是对电机的整体进行二维电磁场分析。场域剖分采用四边形八节点形式,并且采用矢量磁位Az来求解。现对电机作如下假设:

    (1)采用二维场模拟实际磁场,选取MKS国际单位制,直角坐标系;

    (2)对定子槽口、定子扇形片的圆角及磁极冲片部分圆角、倒角等细微之处作近似处理;

    (3)忽略装配误差;

    (4)不计交变磁场在导电材料中如定子绕组、铁心冲片及机座中的涡流反应,因此同步发电机的磁场可作为非线性稳定磁场来处理;

    (5)铁心里的磁导率是各相同性的。

    在上述假设的前提下,得到下列非线性泊松方程边界条件:

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同步电机空载的气隙磁场不仅与励磁电流的大小有关,而且与转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小和铁磁材料的饱和有关。在实际的电磁场分析中,电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定,但是当转子相对于定子齿槽的位置不同时,其计算结果也不相同。分别给出了同一电机转子相对于定子齿槽位置不同时的两种情况及其对应位置下气隙磁密B随转子旋转角度变化的波形。

从图中可以看出,定、转子位置不同时的气隙磁密波形也不相同。因此定、转子相对位置固定不变进行求解,然后再对气隙磁密进行傅氏级数分解来计算电机绕组的电势是不准确的。

4 计算结果和实验

    为了详细说明应用ANSYS的APDL语言编写的软件在同步发电机空载磁场中的应用,本文采用的样机参数如下:额定功率PN=30 kW ,额定电压UN = 400 V ,额定频率fN =50 Hz ,额定电流Ir =54. 1 A,功率因数cosΦ=0.8;定子槽数z=36。

    根据计算出的矢量磁位AZ的值进行后处理,先求出何一个齿下的磁通随转角变化的波形,然后根据齿磁通与主磁通和绕组磁链的关系,求出主磁通波形、绕组磁链波形、旋转磁场波形、基波绕组电压波形,并计算出基波绕组电压有效值。

从图中可以看出:由于绕组的分布和短距,其基波电势波形的谐波分量比旋转磁场的谐波分量大幅度降低。从表中可看出,主绕组电压有效值计算结果与实验结果误差较小,满足了国家规定的误差低于5%的要求。

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