ANSYS电机磁场分析

2009-06-02 18:58 by:有限元来源:广州有道有限元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 A NSYS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 A NSYS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 A NSYS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 A NSYS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。

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
MainMen u→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。

图2网格剖分图
加励磁电密具体步骤如下：选择菜单路径：Main Menu—Solution—Excitation用鼠标左键选择需要加励磁电密的绕组(注意电流方向)，单击“OK”按钮，在弹出对话框中输入电密值，再单击“0K”按钮。

求解：选择菜单路径：Main Menu→solution>→Electromagnet→Opt&solv，在弹出的对话框中单击OK按钮。

2．4查看计算结果
当完成了以上操作后，可以得到矢量磁位、磁场强度、磁感应强度等结果和磁力线、等磁位线等曲线，图3是无轴承异步电机磁力线分布图。

图3磁力线分布图
用FMAGBc宏能自动给要计算力和力矩的部分加标志，因此我们在程序中使用FMAGBC。

“name”。

该宏自动加虚位移和Maxwell面标志，name是我们为转子(力作用部分)所设定的组元。

加了MxwF标志的面，可计算麦克斯韦力。

先选择单元，再对麦克斯韦力进行列表，命令为PRNsOL、fmag，可将这些力求和以得到合力。

以下是根据上述方法求得的数据列表，NoDE为节点系列号，FMAGx、FMAGY、FMAGz为X、Y、Z方向上的电磁力分量，FMAGSUM为总的电磁力和。

图4气隙均匀时磁悬浮力与悬浮绕组电流关系
由可以计算出在气隙磁场定向控制下、气隙均匀时不同悬浮绕组电流下的磁悬浮力。

图4给出了按本文解析算法和ANSYS软件的电磁场算法所得磁悬浮力与悬浮绕组电流的关系曲线。

图中转矩绕组电流均为额定值。

可以发现，由两套绕组产生的磁悬浮力大小与两绕组电流成正比，两种计算结果能较好地吻合。

3 结论
ANSYS软件是一种功能强大的有限元软件，可以灵活方便地对问题进行分析、计算。

在科学和工程计算领域将会有更广阔的应用前景。

本文根据有限元原理，利用ANSYS软件对无轴承异步电机建模、加载、求解和后处理，因此利用ANSYS软件对无轴承异步电机进行研究具有较强的现实意义。