ANSYS在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-08-10 by:廣州Ansys應(yīng)用推廣中心來源:仿真在線

1 引言

近年來,隨著永磁材料性能的不斷提高和完善,特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展,稀土永磁電機(jī)在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁,電機(jī)內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布較為復(fù)雜,采用傳統(tǒng)的等效磁路方法分析會(huì)帶來較大的誤差,為保證計(jì)算的準(zhǔn)確,一般采用有限元法對(duì)電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。應(yīng)用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析,需對(duì)有限元法熟煉掌握,編制計(jì)算程序,工作繁鎖且精度不高,后處理能力有限。ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛、使用最方便的通用有限元分析軟件之一,該軟件融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體、聲學(xué)于一體,能進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合計(jì)算,并具有極為強(qiáng)大的前、后處理功能。在使用上,使用者只需輸入所要計(jì)算的問題,便可獲得結(jié)果,并可對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)使用,而不需要了解求解的詳細(xì)過程,更不需要掌握有關(guān)技巧和編制任何程序,極大地方便了使用,節(jié)省了時(shí)間和精力。具體到電機(jī)設(shè)計(jì)上,無論任何結(jié)構(gòu)、任何形式的永磁電機(jī),只要將其模型輸入ANSYS就可進(jìn)行求解,通過后處理得到磁密分布、磁場(chǎng)分布、磁場(chǎng)強(qiáng)度分布、電磁力分布及轉(zhuǎn)矩分布的彩色云圖和單元列表,非常直觀明了并且計(jì)算精度很高。

本文通過對(duì)某海上設(shè)備用高速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì),較為詳細(xì)地說明了用ANSYS進(jìn)行電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)分析的具體過程,并給出了樣機(jī)測(cè)試結(jié)果。

2 永磁同步發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)和基本結(jié)構(gòu)

該稀土永磁發(fā)電機(jī)經(jīng)變流設(shè)備帶動(dòng)一組脈沖負(fù)載,要求電機(jī)輸出兩組三組電壓±33V(相電壓),功率為2kW,電壓變化率為±2%,電機(jī)轉(zhuǎn)速為24000r/min,體積和重量要求極為嚴(yán)格。電機(jī)采用R2Co17(釤鈷2:17)永磁體,轉(zhuǎn)子采用6對(duì)極瓦片式結(jié)構(gòu),外加不銹鋼緊固套,定子采用36槽結(jié)構(gòu),定子繞組輸出頻率為2000Hz。

3 用ANSYS進(jìn)行電機(jī)電磁場(chǎng)分析

本文采用ANSYS5.6版本的Multiphysics模塊進(jìn)行電機(jī)電磁場(chǎng)分析,可分為三個(gè)階段:前處理、運(yùn)行計(jì)算和后處理。

3.1 前處理

這一階段包括定義單元類型、建立分析模型和定義各部分材料的性質(zhì)。單元類型定義為電磁分析(Electromagnetic)軸對(duì)稱型。本文設(shè)計(jì)的稀土永磁發(fā)電機(jī)為6對(duì)極對(duì)稱結(jié)構(gòu),其電磁場(chǎng)分析模型采用一個(gè)極距范圍,如圖1所示。模型可用ANSYS提供的用戶界面Workplane繪制,也可由proe、UG或AUTOCAD繪制然后讀入。

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輸入各種材料的性能:永磁材料的磁導(dǎo)率和矯頑力,非導(dǎo)磁材料(空氣、線圈、磁隔)的磁導(dǎo)率,定子鐵心(硅鋼片)和轉(zhuǎn)子磁軛(電工純鐵)的磁化曲線,然后將其一一賦予模型,再將模型中各材料面積融合為一體,如圖2所示。

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3.2 運(yùn)行處理

這一階段包括:網(wǎng)格剖分、設(shè)定電樞、加邊界條件、施加激勵(lì)和運(yùn)行計(jì)算。選定整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,如圖3所示。然后將電樞部分面積設(shè)為電樞,將內(nèi)外兩條弧線設(shè)為平行于磁力線的邊界,若求解的是負(fù)載情況,在槽部加電流密度激勵(lì),最后進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算。

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3.3 后處理

包括繪制磁密分布圖、磁力線圖、磁場(chǎng)強(qiáng)度圖,求解電磁作用力或電磁轉(zhuǎn)矩等。圖4、5、6分別是電機(jī)空載時(shí)的磁密、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁力線分布圖,也可以采用列表的方法將各單元數(shù)值列出。通過圖形可以清楚地看出各部分磁密分布,磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,計(jì)算出磁鋼的空載工作點(diǎn)以及各個(gè)電磁計(jì)算中所需要的系數(shù),負(fù)載情況與此類似,從而在直觀明了的情況下完成電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。

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4 結(jié)果分析

本文稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì),通過AN-SYS進(jìn)行電機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,很好地完成了設(shè)計(jì)任務(wù),滿足了電機(jī)電壓變化率±2 o/o的要求。樣機(jī)測(cè)試空載輸出電壓和負(fù)載輸出電壓如圖7、8所示。圖中空載相電壓分別是33.41V、32.73V、32.81 V。負(fù)載相電壓分別是33.42V、32.95V、32.50V。

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