ANSYS在电机磁场中的应用

2013-06-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

ANSYS软件是世界上著名的大型通用有限元分析计算软件,具有强大的求解器和后处理功能,为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个良好的工作平台,更使我们从繁琐单调的常规有限元分析计算中解脱出来。

无轴承异步电机是在普通电机的定子中再嵌入悬浮控制绕组,通过悬浮绕组磁场对原有绕组磁场的作用,改变了气隙磁场的对称分布,将在转子上产生可控磁悬浮力,实现了转子的悬浮运行。因此,讨论无轴承电机的运行机理,必须从分析电机中的电磁力着手。无轴承异步电机中转子受到了洛仑兹力和麦克斯韦力两种不同的电磁力。计算的方法通常有等效磁路法、近似解析法、位势磁通法和有限元法。在磁场分布和变化比较复杂且非线性严重的情况下,有限元法精度最高,而使用ANSYS软件既保证了有限元分析的高精度,又大大降低了计算量。本文所讨论的无轴承异步电机具有非线性饱和磁路,磁场变化复杂。因此,非常适合用ANSYS进行分析。

1 ANSYS软件简介

ANSYS软件有以下特点:使用方便、涉及面广、易学易用,高效方便的绘图功能,灵活多样的剖分网格形状,疏密程度,多种可选择的迭代求解器,强大的后处理功能。

1.1 ANSYS电磁场分析

ANSYS程序可用来分析电磁场多方面问题,如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线、力等。可有效地分析多种设备,如发电机、电动机、螺线管传动器、开关等。

ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式,包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率,材料的B.H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、源输入能量、端电压和其它参数的计算。

1.2 ANSYS软件的分析计算步骤

(1)创建无轴承异步电机有限元分析模型;

(2)定义和分配材料,网格剖分;

(3)施加边界条件和载荷,并求解;

(4)查看并保存计算结果。

2 ANSYS分析无轴承异步电机的实例

为了进一步详细i兑明ANsYs软件在无轴承异步电机电磁分析中的应用,无轴承异步电机采用48齿三相2对极结构,集中式绕组,以额定功率为120w,额定电压380V,额定转速为3000r/min的无轴承异步电机为例:

定子外半径475mm 气隙0.5mm

定子内半经260mm 定子槽数48

转子外半径295.5mm转子槽数40

转子内半径140mm

转矩绕组极对数2 悬浮绕组极对数l

2.1创建无轴承异步电机模型

包括创建定子模型、转子模型和励磁绕组。由于电机结构的对称性,所以在绘图过程中,只需要画出它的一部分,然后对它进行相应的拷贝操作就可以得到完整的电机图形。

创建转子:首先建一个45°的扇行环面,在弹出的菜单中输入相应的半径和度数。菜单路径为:MainMenu—Preprocessor—Create—Circle—PartialAnnulus;其次画阻尼槽,创建槽面的具体操作如下:

①确定槽底的圆心坐标,利用Create命令创建一个0°-180°的半圆;②分别在半圆内和45°圆弧外各创建一个关键点,它们的横坐标为槽口宽度的一半;③将两点连成线;④将该线分别和圆弧的外圈弧线及半圆用Overlap搭接;⑤再利用线创建出半个槽面;⑥再将其关于X轴映射,再将两个半槽面相加就得到了一个完整的槽面,利用Copy命令将其复制到我们所需的位置;再利用Subtract命令进行挖槽面,并删除多余的面。至此,转子的八分之一就完成了,接着利用Reflect命令将其关于x轴映射,再利用copy命令旋转角度复制出剩余部分。创建定子的方法与创建转子的操作基本相同。

创建励磁绕组具体操作如下:先根据菜单路径MainMenu→Preprocessor→Create→Keypoint创建关键点,再将关键点连成线,最后通过线连成面即可。

由此,无轴承异步电机的有限元分析模型就已经创建好了,如图1所示。

ANSYS在电机磁场中的应用+培训教程图片1

图1 无轴承异步电机的模型图

2.2定义和分配材料.划分网格

定义材料:采用ANsYS软件分析电机电磁场时,可以将电机定义为由定子、转子、励磁绕组、气隙和转轴5个面组成,然后分别对每一个面输入它的磁化曲线。菜单路径为:MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels...。

分配材料:用Preprocessor下的Define来实现。单击DefindF的PickAreas,然后利用鼠标左键选择要分配材料的面,单击OK按钮,系统将给出对话框选择所需材料,再单击OK按钮即可。网格剖分:先通过菜单路径MainMenu→Preprocessor→Meshing→SizeCtr→Basic选择网格剖分的精度,再在主菜单MainMenu里,单击Preprocessor菜单项,在弹出的子菜单里选择MeshTool...菜单项,则弹出MeshT001...的子菜单;单击Mesh按钮,弹出对话框,单击PickAlI按钮,将对整个电机开始进行剖分,网络剖分图见图2。

2.3加边界条件和载荷,并求解

边界条件:本文采用的是平行边界条件,具体步骤如下:选择菜单路径:MainMenu→Solution→AppIy>→Boundary→Par 1 on lines,再单击鼠标左键选择边界。

ANSYS在电机磁场中的应用+培训教程图片2