ANSYS分析实例 ppt课件

在钢件上，发电机的半径又比较大，维修吊装很不便）。
•
基于以上原因，必须保证永磁体在正常运行和突然发
生短路时，永磁体都不会发生不可逆退磁。
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2电枢反应磁场的计算
•
目前电磁场的计算方法有两种：
•
一、场化路的方法，将实际空间存在的不均匀分布的
磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁
电磁场的经典理论是麦克斯韦方程组，此处不再累述。 这里引入矢量磁势Az 的重要意义在于对平行平面场，两 点间矢量磁势的差值就是两点间沿z 轴单位长度上的磁通。
要注意二维电磁场分析计算得到的基本结果数据都 是Az 值，通过对Az 值进行处理可以方便的求出电机各处 的磁密和磁场强度，磁通、反电势和电磁转矩等。
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2.4.2 电机的计算转矩
•
在后处理中还可以通过ANSYS 内部的torq2d或
torqc2d 磁宏命令计算电机的计算转矩，先用path命令在
气隙中定义一条圆弧路径（要注意圆弧路径经过周期对称
后应该是闭合的），再调用torq2d 宏命令。
•
注意此时的结果是电机一个周期下沿轴向单位长度的
实践证明如果忽略电机端部的影响，采用二维的磁场分
析也能满足设计的精度要求。利用电机结构的周期性，选用
充分、合理的电机计算区域作为有限元模型，可以对电机模
型进一步的简化。
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应用ANSYS 有限元软件，对大型永磁电机的电磁场 进行分析和计算。这里只研究平行平面场即二维电磁场问 题，因而只有一个自由度即矢量磁势Az。电机的对称周 期取一对磁极范围。考虑漏磁的影响，把转轴和机座作为 模型的内外边界。
发电、航空航天和大型汽轮发电机的励磁机等方面得到了
大量应用，单机容量已经达到5000－6000KW。
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•
目前，永磁体的价格相对还比较昂贵；风力发电机的
安装位置又比较高，处于野外，安装维护比较不便，更需
要保证发电机的安全运行，一旦发生永磁体的不可逆退磁，
则更换永磁体的工作量很大（一般永磁体是由粘接胶粘接
某某某项目研讨会
演讲人：*************
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一 、永 磁 电 机 电 磁 计 算
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1.基本的思想和分析原则
大型电机和特种电机的设计技术都有了巨大的进步，电 机各项参数计算的精度要求越来越高，设计研发的周期越来 越短，传统的分析计算不能很好的满足上述要求。
有限元法作为一种电机电磁场数值解法臻于完善，其应 用也越来越广泛。作为一种近似的数值计算方法，有限元法 的计算精度很大程度上取决于网格剖分的疏密程度。对于一 台电机若采用三维模型计算，其计算量很大，不利于调试。
b) ANSYS 程序根据BH 曲线自动计算v－B 曲线（v 为磁阻 率），它应该也是单调连续的。因此如果v－B 曲线不单 调要重新修正B－H 曲线上的数据点。
c) BH 曲线应覆盖材料的全部工作范围，提供足够多的数据 点以完整描述该材料特性。有时要剔除那些数值较大的点， 再观察曲线的单调性。
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位铁损再对所有定子硅钢片部分单元求和，所得值与定子
铁芯长、叠压系数、硅钢片密度和极对数的乘积即为定子
铁损。
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2.4.4 气隙磁密波形和磁力线
•
电机在进行能量转换时，无论是从机械能变成电能，
或是从电能变成机械能，能量都是以电磁能的形式通过定、
转子之间的气隙进行传递的，气磁密是电机电磁场计算中
这样能保证转子旋转后运动边界上的节点重合，压缩重合
的关键点（KP）、节点（node），保持网格的连续性。
如图。
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112.4 后ຫໍສະໝຸດ 理• 2.4.1 反电势的计算
• 首先使用ANSYS 的APDL 语言在工作路径中创建数
据文件写入每个线圈的Az 值，然后关闭文件。循环计算 中每次打开数据文件，数据以追加方式顺序写入。最后使 用公式可计算出单根导体反电势，再根据一相下所有导体 的串并联关系得到一相绕组的反电势。
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•
永磁同步发电机在正常工作时，电枢磁场的轴线和永
磁体的轴线一般不重合（我方采用的发电机为外转子旋转
磁极式），通常磁钢磁场的轴线位置超前电枢磁场的轴线
位置，对永磁体产生吸合或者排斥作用相对较弱；但是，
在电枢绕组发生最严重的短路时，电枢磁场的轴线位置可
能和永磁体的轴线位置对齐，并且极性相同，会对永磁体
(包含若干节点), 然后根据矢量磁势或标量电势求解一定 边界条件和初始条件下每一节点处的磁势和电势,继而进
一步求解出其他相关量。
•
ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达
方式,包括各向同性和正交各向异性线性磁导率,材料的
Ｂ—Ｈ曲线和永磁体的退磁曲线。后处理允许用户显示磁
力线、磁通密度并进行力、力矩、端电压和其他参数的计
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• 1引言
•
随着钕铁硼永磁材料的问世，它的高剩磁密度，高矫
顽力，高磁能积和线性退磁曲线的优异性能特别适合用作
永磁电机的磁钢材料。但是如果电机设计或使用不当，永
磁电机在冲击电流产生的电枢反应作用下，或者过高（钕
铁硼永磁）过低（铁氧体永磁）温度时，可能造成永磁体 的不可逆退磁，使电机性能降低甚至无法使用。
算。
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3 ANSYS的有限元分析
•
ANSYS分析过程包含3个步骤：(1)创建有限元模型。
包括：①创建或读入有限元模型；②定义材料属性；③划
分网格(节点和单元)。(2)施加载荷并求解。施加载荷及载
荷选项,然后求解。(3)查看结果。查看分析结果,然后检验
结果。
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4.1建立物理模型
•
由于电机空载运行磁场对称分布,取电机的局部建模,
一方面可减少其工作量和解题规模,另一方面也不失代表
性。电机物理模型如图所示。
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4. 2 基本假设
• (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) 忽略电机的各种绝缘材料；对定子槽口、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。
对模型施加边界条件并进行求解。ANSYS求解可以得出
电机的磁力线分布图,如图所示。
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•
图3 为磁钢单独作用时，一个磁极下气隙中磁密的分
布，为一平顶波，其幅值为2.523，图4为电枢绕组发生短
路时，电枢绕组单独形成的磁场气隙中磁密的分布，为一
接近的正弦形，图5为磁钢和绕组共同作用时形成的磁场
产生最严重的去磁效应，这些情况，应该在电机的设计中
予以充分地考虑。
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•
永磁同步风力发电机是不需要励磁绕组和直流励磁电
源的无刷电机，无励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁
式的发电机效率高，结构简单，运行可靠。增大了气隙磁
密，并把电机转速提高到最佳值，可以缩小电机体积，减
轻质量，提高功率质量比。目前，永磁同步发电机在风力
通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的计
算，然后用各种系数修正，使各段磁路的磁位差等于磁场
中对应点之间的磁位差；
•
二、电磁场数值计算中的有限元法。有限元法是当今
数值计算领域应用最为广泛、最为成熟的一种计算方法,
其最大的优点是通用性强、精度高，可以进行专门问题的
计算如永磁电机的失磁、永磁电机的磁极结构与尺寸的优
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2.分析过程
有限元分析的基本思路如图 所示 • 定义单元类型，材料属性 • 电机的基本尺寸的参数化 • 转子建模（含气隙） • 定子建模（含气隙） • 径向拼接模型 • 处理模型的边界条件 • 施加载荷 • 求解 • 后处理
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2.1 定义电机材料特性 2.1.1 定义硅钢片的材料属性与磁化曲线
•
定义硅钢片材料特性时要注意，有些大型电机使用各
向异性的冷轧硅钢片，这里需考虑材料的正交各向异性。
对定子齿部，认为磁密的方向偏离轧制方向为0 度；对定
子轭部，磁密的方向偏离轧制方向为90 度；对转子铁芯
来说，偏离轧制方向为0度，导磁率按静磁场选择（f＝
0）。
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输入BH 曲线要注意：
a) B 值与H 值要一一对应，并且单调连续，BH曲线缺省通 过原点，（0，0）点不输入。
计算转矩，此结果乘以转子铁芯长，再乘以计算区域的周
期数才是电机的计算电磁转矩。
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2.4.3 损耗的计算
•
在后处理中取出电机有限元模型中定子硅钢片部分的
每个单元的面积和该单元对应的切向磁密和径向磁密值。
•
由该单元的各磁密值分别从对应的硅钢片的单位损耗
曲线上插值得到单位铁损。每个单元的面积乘以对应的单
化等。我方的电机为外转子旋转磁极式，结构复杂，材料
用量大，更需精确计算，因而采用有限元方法计算。
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•
ANSYS软件是目前世界范围内增长最快的CAE软件，
也是最先通过ISO9001质量认证的分析设计类软件。
ANSYS可用来分析电磁领域多方面的问题。
•
其基本原理是将所处理的对象首先划分成有限个单元
块的永磁体的位置相同，极性也相同，会产生强烈的去磁
效应。
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4.4有限元方法
•
由于区域内存在电流,须用矢量磁位AZ求解,考虑到铁
心中的饱和效应,则AZ满足非线性的准泊松方程。在转子
内圆和定子外圆圆弧线DE、FG上,磁场满足AZ=0,即满足
第一类齐次边界条件：在DF和EG线上满足ＡＺ|DF=-ＡＺ
重要的物理量。气隙磁密波形和计算区域内磁力线分布如
图 所示。
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• 3 结论
•
ANSYS 有限元软件为电机的仿真和电机参数的计算
提供了非常好的数值计算方法，相信随着对有限元认识的
加深，我们可以更加深入、细致、精确的对电机进行分析
和计算，大大加快电机设计、生产的研发周期。
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二、永磁同步发电机电枢反应 去磁效应的分析
(气隙部分一定密一些）
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•
这里只研究电机转速恒定情况，用有限元法进行电机
的电磁场分析，要模拟电机定、转子之间的相对运动。这
里使用运动边界法，即假设定子模型静止不动，让转子部
分旋转，和真实情况一样。具体如下：气隙模型中有一条
定、转子网格重合的公共运动边界，分别为定、转子的运
动边界上的节点编号，并且保证相邻节点径向间距相等，
•
参数化建模具有很多优点，各个变量物理意义明确，
便于查找和修改。而且可以通过对话框快速对电机尺寸参
数进行调整，缩短调试程序和优化设计的时间。这里采用
ANSYS 内部的对话框进行交互，可以方便其他设计人员
对程序的调试，提高程序的通用性，也可以调整电机的气
隙长度，定子内径和定子铁芯长等电机重要尺寸参数；可
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2.1.2永磁体的材料特性
需要说明的是永磁体的退磁曲线是指剩磁密度Br 与 矫顽力Hcb 的曲线，以下简称BH 曲线。退磁曲线通常在 第二象限，但ANSYS 程序中需按第一象限输入。此外还 需要知道永磁体的工作温度，即电机内部温度分布，Br 的可逆温度系数，Hcb 的可逆温度系数。
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2.2 参数化建模
以输入用于保存磁通量和电磁转矩结果文件的文件名。
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2.3有限元模型的建立和边界条件
•
定、转子应分别建模，这样两部分模型不会相互干扰。
定、转子之间的气隙，可定义两层或更多层，再经过径向 拼接得到整个求解区域。分网时应注意疏密结合，气隙部 分网格要足够稠密，而且沿径向应均匀分网。其它部分网 格可稀疏些。模型尽量使用四边形网格，并保证节点连续。
（3)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,因此同步电机的磁场可作为非线性恒定 磁场来处理。
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4.3电枢产生磁场
•
电机的实际磁场为交变的（大小和空间位置都在改
变）。考虑最为不利的因素（电机绕组的出线端发生短路 或其他故障时，电机突然短路时电流可以达到额定值的20 倍），电枢绕组形成的去磁磁场位置和极性与永磁体相同，
|EG,即满足周期性边界条件。所以磁场的准泊松方程边值
问题为 ＪＺ—电流密度；ｖ—磁阻率。
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4.5 ANSYS求解
•
由于仅进行平面分析,故采用ANSYS的PLANE53电磁
单元,气隙部分最为重要,也是关注的地方,因此在网格剖分
时,在气隙中间取了一条曲线,模型的单元划分数目尽量细
致。对电机内部的各种材料进行定义。根据前面的分析后
方向相反，对永磁体会形成强烈的去磁效应。
•
三相绕组中的电流的初相位设为00，则三相电流瞬时
的大小为：
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取t=0时刻进行分析，总有一相绕组的电流达到最大，
图中A相电流达到最大，末端流入，首端流出，其余两相
电流幅值为A相的一半，相位与A相相反，则电枢绕组的
磁场位置处于电流最大相绕组的轴线位置，即与中间最大