ANSYS在永磁電機設計中的應用

2019-11-03 09:59:32

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供稿：網友

王海峰
西北工業大學航海工程學院（西安市，710072）

任章
北京航空航天大學自動化學院（北京市，100083）

　　摘要　本文主要討論了永磁電機設計中電機電磁場分析問題，詳細說明了ANSYS在電機電磁場分析中的應用，樣機測試結果驗證了分析結果的正確。　　

　　關鍵詞　永磁電機　有限元法　設計

　　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定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，稀土永磁電機在國防、工農業生產和日常生活等方面獲得了越來越廣泛的應用。永磁電機采用永磁體勵磁，電機內部的電磁場分布較為復雜，采用傳統的等效磁路方法分析會帶來較大的誤差，為保證計算的準確，一般采用有限元法對電機內部電磁場進行數值計算。應用有限元法進行數值分析，需對有限元法熟煉掌握，編制計算程序，工作繁鎖且精度不高，后處理能力有限。ANSYS是目前應用最為廣泛、使用最方便的通用有限元分析軟件之一，該軟件融結構、熱、電磁、流體、聲學于一體，能進行多物理場耦合計算，并具有極為強大的前、后處理功能。在使用上，使用者只需輸入所要計算的問題，便可獲得結果，并可對結果進行進一步的開發使用，而不需要了解求解的詳細過程，更不需要掌握有關技巧和編制任何程序，極大地方便了使用，節省了時間和精力。具體到電機設計上，無論任何結構、任何形式的永磁電機，只要將其模型輸入ANSYS就可進行求解，通過后處理得到磁密分布、磁場分布、磁場強度分布、電磁力分布及轉矩分布的彩色云圖和單元列表，非常直觀明了并且計算精度很高。

　　本文通過對某海上設備用高速永磁同步發電機的設計，較為詳細地說明了用ANSYS進行電機內電磁場分析的具體過程，并給出了樣機測試結果。　　

　　2　永磁同步發電機的性能指標和基本結構

　　該稀土永磁發電機經變流設備帶動一組脈沖負載，要求電機輸出兩組三組電壓±33V（相電壓），功率為2kW，電壓變化率為±2%，電機轉速為24000r／min，體積和重量要求極為嚴格。電機采用R2Co17（釤鈷2：17）永磁體，轉子采用6對極瓦片式結構，外加不銹鋼緊固套，定子采用36槽結構，定子繞組輸出頻率為2000Hz。

　　3　用ANSYS進行電機電磁場分析

　　本文采用ANSYS5．6版本的Multiphysics模塊進行電機電磁場分析，可分為三個階段：前處理、運行計算和后處理。　　

　　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。單元類型定義為電磁分析（Electromagnetic）軸對稱型。本文設計的稀土永磁發電機為6對極對稱結構，其電磁場分析模型采用一個極距范圍，如圖1所示。模型可用ANSYS提供的用戶界面Workplane繪制，也可由PRo／E、UG或AUTOCAD繪制然后讀入。

　　輸入各種材料的性能：永磁材料的磁導率和矯頑力，非導磁材料（空氣、線圈、磁隔）的磁導率，定子鐵心（硅鋼片）和轉子磁軛（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。

　　3．2　運行處理

　　這一階段包括：網格剖分、設定電樞、加邊界條件、施加激勵和運行計算。選定整個模型進行網格剖分，如圖3所示。然后將電樞部分面積設為電樞，將內外兩條弧線設為平行于磁力線的邊界，若求解的是負載情況，在槽部加電流密度激勵，最后進行運行計算。

　　3．3　后處理

　　包括繪制磁密分布圖、磁力線圖、磁場強度圖，求解電磁作用力或電磁轉矩等。圖4、5、6分別是電機空載時的磁密、磁場強度、磁力線分布圖，也可以采用列表的方法將各單元數值列出。通過圖形可以清楚地看出各部分磁密分布，磁場強度的大小，計算出磁鋼的空載工作點以及各個電磁計算中所需要的系數，負載情況與此類似，從而在直觀明了的情況下完成電機的電磁設計。

　　4　結果分析

　　本文稀土永磁同步發電機的設計，通過AN－SYS進行電機電磁場數值計算，很好地完成了設計任務，滿足了電機電壓變化率±2 o／o的要求。樣機測試空載輸出電壓和負載輸出電壓如圖7、8所示。圖中空載相電壓分別是33．41V、32．73V、32．81 V。負載相電壓分別是33．42V、32．95V、32．50V。

　　5　結論

　　（1）ANSYS通用有限元分析軟件，具有極強的前后處理功能和較高的分析精度，并且使用方便，常用于結構和傳熱方面的分析，在電磁場分析方面也能取得很好的應用。

　　（2）ANSYS應用于永磁電機設計使用極為方便，結果直觀明了，使永磁電機設計更加準確和直觀。

　　（3）對于大型永磁電機或對溫度要求較高的永磁電機的設計，ANSYS的電－磁－熱、電－熱多物理場耦合分析功能將會起到很大的作用。

　　參考文獻

　　1　唐任遠．現代永磁電機理論與設計．機械工業出版社，1997．

　　2　王國強．實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐．西北工業大學，1998．

　　3　洪慶章等．ANSYS教學范例．中國鐵道出版社，2002．

　　
摘自　北極星網

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