ANSYS界面化電機(jī)磁場(chǎng)分析程序設(shè)計(jì)

2013-08-13 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來源:仿真在線

0 引言

ANSYS軟件在電機(jī)磁場(chǎng)分析中占有重要地位。對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算屬于校核計(jì)算,在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中對(duì)不同方案模型的計(jì)算屬于預(yù)先計(jì)算。初級(jí)分析采用GUI(人機(jī)交互)操作方式是合適的,其主要優(yōu)點(diǎn)就是人機(jī)交互,直觀簡(jiǎn)單;但是,該方式每一步操作都需要人工干預(yù),幾乎很難完成復(fù)雜和動(dòng)態(tài)計(jì)算。因此,ANSYS軟件給了用戶二次開發(fā)的APDL (ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言) ,它是一門可用來自動(dòng)完成有限元分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語(yǔ)言, APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入,使用戶實(shí)際上對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)。但是,基于APDL 開發(fā)的電磁場(chǎng)計(jì)算程序需要較為專業(yè)的維護(hù),即在不同電機(jī)間移植過程中需要對(duì)源代碼進(jìn)行大量修改,修改后還需要重新調(diào)試,因此該程序通用性不強(qiáng),穩(wěn)定性和可靠性也不夠理想。

本文以齒磁通法為算法基礎(chǔ),將有限元模型的建立與加載求解分開;通過UDL 實(shí)現(xiàn)了控制變量和電機(jī)物理參數(shù)的可視化輸入,利用這些參數(shù)結(jié)合模塊化結(jié)構(gòu)的APDL 程序,使得整個(gè)分析過程不需修改源代碼。在給定材料特性以及實(shí)體模型已經(jīng)創(chuàng)建的情況下,僅在開始時(shí)一次性輸入多個(gè)工況條件,整個(gè)求解過程將自動(dòng)完成,因此具有操作簡(jiǎn)便、節(jié)省工時(shí)、計(jì)算量小、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)化,重點(diǎn)解決了參數(shù)的傳遞、電樞繞組的通用模型以及循環(huán)控制等問題。

1 程序設(shè)計(jì)

本文將電機(jī)的幾何尺寸以及電氣參數(shù)統(tǒng)稱為物理參數(shù), 這些參數(shù)主要用于材料的分配、網(wǎng)格剖分、邊界條件的定義、載荷施加等環(huán)節(jié)中,作為選擇實(shí)體單元的控制參數(shù)。因此在GUI方式創(chuàng)建了實(shí)體幾何模型后,這些參數(shù)需要通過界面方式輸入到主程序中。而決定計(jì)算工況(如勵(lì)磁電流、負(fù)載電流等)以及計(jì)算方法(如一次算法、齒磁通法)等的一些變量本文統(tǒng)稱為控制參數(shù),用戶通過設(shè)置這些參數(shù)的值來選擇所需的計(jì)算分析功能。

1.1 實(shí)體幾何模型的創(chuàng)建

本程序采用半周期邊界條件計(jì)算電機(jī)磁場(chǎng),因此只需建立一個(gè)極距下的電機(jī)實(shí)體模型。考慮到電機(jī)結(jié)構(gòu)的多樣性,實(shí)體幾何模型的創(chuàng)建采用GUI方式,但創(chuàng)建過程中需要遵循既定的一些規(guī)范,以便在計(jì)算分析過程中選擇實(shí)體單元時(shí)不出現(xiàn)錯(cuò)誤。在ANSYS的GUI下的每一步操作均記錄在生成的log文件中,因此對(duì)log文件進(jìn)行適當(dāng)修改,即可得到電機(jī)實(shí)體建模的APDL命令流,保存為model.txt,作為創(chuàng)建實(shí)體幾何模型子程序,保存在工作目錄中,以備調(diào)用。圖1為按照既定規(guī)范創(chuàng)建的實(shí)體模型。

1.2 電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析的算法設(shè)計(jì)根據(jù)文獻(xiàn)提出的齒磁通計(jì)算法,至少需要計(jì)算一個(gè)齒距下旋轉(zhuǎn)N (N 通常取10~20)步的電磁場(chǎng),然后根據(jù)每步的各個(gè)定子齒的磁通,并按照一定的辦法進(jìn)行擴(kuò)展,得出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的波形。此方法具有計(jì)算精度高,能方便計(jì)算繞組的電勢(shì)波形和幅值等優(yōu)點(diǎn)。

先前采用齒磁通法計(jì)算電磁場(chǎng)的APDL流程圖。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),由于介質(zhì)的改變,需要重新建立有限元模型,即每旋轉(zhuǎn)一步后必須重新進(jìn)行網(wǎng)格剖分。計(jì)算不同工況時(shí)(勵(lì)磁電流改變或者電樞電流改變)只改變某些實(shí)體的載荷,有限元模型并不變化,而分析過程中往往需要同時(shí)對(duì)多個(gè)工況進(jìn)行分析,因此該算法存在大量的重復(fù)計(jì)算。本程序?qū)⒂邢拊Ｐ偷慕⑦^程與計(jì)算求解過程分開,其流程圖如圖3所示。即將轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一步的N個(gè)有限元模型(完成網(wǎng)格剖分、邊界條件定義)創(chuàng)建好,并保存在工作目錄中,不同工況或者物理參數(shù)變動(dòng)時(shí)只需順次調(diào)用這些模型,而不必重新創(chuàng)建有限元模型,因此可以大大縮短計(jì)算時(shí)間。

1.3 電機(jī)物理參數(shù)及控制參數(shù)的界面化輸入

本程序主要使用了以下兩組UDL命令:

·MULTIPRO, ’start’, Promp t_Num

* CSET, Strt_Loc, End _Loc, Param _Name, ’

Promp t_String’,Def_Value

MULTIPRO, ’end’

·*ASK, Par, Query, DVAL

每組“MULTIPRO”命令可以實(shí)現(xiàn)10 個(gè)數(shù)值型參數(shù)的輸入,當(dāng)需要輸入的參數(shù)較多時(shí),可以使用多組命令,其中’Promp t_String’是對(duì)參數(shù)的提示或者解釋。“*ASK”命令可以完成字符串和數(shù)值型參數(shù)的輸入。需要輸入的主要控制參數(shù)及物理參數(shù)。

1.4 電樞繞組的通用模型

與定子電流的加載電機(jī)空載時(shí),電樞繞組可以當(dāng)作氣隙來處理,但是當(dāng)電樞繞組中通以電流后就需要對(duì)定子各個(gè)槽中的電流進(jìn)行計(jì)算賦值。定子繞組的排布變化多樣,即使機(jī)座號(hào)相同(其有限元模型通常是一樣的) ,不同規(guī)格電機(jī)的繞組排布也往往不同,因此使用先前的程序計(jì)算負(fù)載時(shí)需要大量修改APDL 程序源代碼。要實(shí)現(xiàn)界面化加載負(fù)載電流,就必須解決程序的通用性,建立定子繞組的通用模型,從而在不修改源代碼的情況下實(shí)現(xiàn)不同形式繞組的輸入和處理。一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī),定子槽數(shù)Z1=60, 極對(duì)數(shù)p=2,雙層疊繞組,其U相一極下繞組展開圖.

該繞組由5把線圈組成, 每把匝數(shù)為3, 跨距為1 - 14、2- 15、3 - 16、4 - 17、5- 18,即繞組最大跨度(該繞組最右邊的槽號(hào)) Nmax為18, 因此可以用一個(gè)18維的向量Wu1表示,Wu1各個(gè)元素的絕對(duì)值為該槽包含U 相單支路繞組的導(dǎo)體根數(shù);由于繞組的兩邊分別處于磁極的的N極和S極下,因此設(shè)定一邊為正時(shí)另一邊則為負(fù)值。因此圖4中繞組對(duì)應(yīng)的Wu1為

Wu1 = [ 3, 3, 3, 3, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,- 3, - 3, - 3, - 3, - 3 ] (1)

Wu1即為電樞繞組的基本向量, 整機(jī)繞組可以通過此向量擴(kuò)展得到。U相繞組的下一條支路起始槽號(hào)應(yīng)該為

其與Wu1的關(guān)系為:

ANSYS界面化電機(jī)磁場(chǎng)分析程序設(shè)計(jì)ansys分析案例圖片2

Wu2的維數(shù)為n = 2 ×18 - (18 - 15) = 33。實(shí)際上電樞繞組是以Z1/P為周期循環(huán)的, 因此可令S1 = S31 , S2= S32 , S3 = S33 ,同時(shí)將S31、S32、S33 ,三個(gè)元素刪除,從而得到新的向量:

ANSYS界面化電機(jī)磁場(chǎng)分析程序設(shè)計(jì)ansys圖片圖片3

在Wu1的尾部填補(bǔ)12個(gè)0元素, 得到一個(gè)30維的向量Wu4 :

ANSYS界面化電機(jī)磁場(chǎng)分析程序設(shè)計(jì)ansys培訓(xùn)課程圖片4

則U相繞組向量可以表示為:

由于V相、W 相繞組分別與U 相繞組相距空間電角度+ 120°和- 120°, 因此可通過Wu 分別向左右移位得出V 相、W 相繞組向量Wv、Ww 。從而得出電機(jī)一對(duì)極下的電樞繞組電流向量為:

式中: Iu、Iv、Iw 分別為某一時(shí)刻U相、V相、W 相電流的峰值。將WI 各個(gè)元素除以每槽導(dǎo)體截面積便得到定子電密,將此電密值加載到定子繞組圖元上即完成了定子電流的加載。從上可以看出,不管定子繞組為何種形式,程序運(yùn)行時(shí)只要求輸入基本繞組向量Wu1 , 整個(gè)電樞繞組和各個(gè)槽的電密便可通過后臺(tái)運(yùn)行的APDL程序得出,因此其通用性強(qiáng),輸入簡(jiǎn)單,工作量少。

1.5 參數(shù)的傳遞

圖3中,當(dāng)創(chuàng)建完有限元模型后,需要清除所有的參數(shù)以防止計(jì)算出錯(cuò)。由于要實(shí)現(xiàn)一次建立的有限元模型能為多次計(jì)算分析使用(此時(shí)控制參數(shù)通常將發(fā)生變化) ,而一旦使用命令RESUME調(diào)用有限元模型,系統(tǒng)所有參數(shù)將恢復(fù)為創(chuàng)建有限元模型過程中輸入的參數(shù),即用戶新輸入的控制參數(shù)將失去控制作用。為此, 可以使用“ PARSAV ”和“PARRES”命令實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞,達(dá)到修改參數(shù)的目的。

2 計(jì)算時(shí)間比較

分別用先前的程序與本程序?qū)σ慌_(tái)90 kW 的三次諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的空載特性進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算采用齒磁通法,勵(lì)磁電流取10個(gè)點(diǎn),剖分精度等均相同,計(jì)算過程中使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī),操作者對(duì)APDL熟練。首次分析時(shí),使用先前的程序除了定義材料外其他過程均需修改或者重新編寫源代碼,使用本程序只需根據(jù)彈出窗口界面提示輸入對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)或者物理參數(shù),因此節(jié)省了大量的操作時(shí)間。表3列出了這兩套程序的耗時(shí)情況。

從表中可以看出,由于無(wú)需修改源代碼,在操作耗時(shí)方面僅為先前程序的1/5;當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)或工況改變時(shí),本程序不再重新網(wǎng)格剖分,相比縮短了約一半的計(jì)算時(shí)間。實(shí)際上,當(dāng)電機(jī)極數(shù)等不同時(shí),由于先前的程序的可移植性差,其耗費(fèi)的時(shí)間將更大,且修改過程中極易容易發(fā)生錯(cuò)漏現(xiàn)象,需要反復(fù)調(diào)試。而使用本程序則不涉及源代碼修改,操作上節(jié)省了大量時(shí)間。對(duì)多個(gè)工況進(jìn)行分析時(shí),本程序的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。另外由于本程序通過界面操作,因此使用簡(jiǎn)單,即使用戶對(duì)ANSYS軟件和APDL不熟悉也可以方便使用。

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