ANSYS分析实例C

某某某项目研讨会,演讲人：*,一 、永 磁 电 机 电 磁 计 算,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。 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。,1.基本的思想和分析原则,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。 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。,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,2.分析过程,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（f0）。,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,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。 b) ANSYS 程序根据BH 曲线自动计算vB 曲线（v 为磁阻率），它应该也是单调连续的。因此如果vB 曲线不单调要重新修正BH 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。,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。,2.2 参数化建模,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；可以输入用于保存磁通量和电磁转矩结果文件的文件名。,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。 (气隙部分一定密一些）,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，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。,2.4 后处理,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。,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。,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。,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。,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。,二、永磁同步发电机电枢反应 去磁效应的分析,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。,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。,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50006000KW。,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。,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。,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(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算。,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：创建或读入有限元模型；定义材料属性；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。,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。,4. 2基本假设,(1)采用二维场模拟实际磁场；选取国际单位制；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。 （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。,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，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：,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。,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|DF=-|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 电流密度；磁阻率。,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。,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气隙中磁密的分布，幅值为2.469。 由图可以看出，电机的磁钢受到绕组的去磁作用，磁场的幅值有所减弱，但是磁钢覆盖的大部分区域磁密依然能够保持一定的数值，减小程度很小，所以不会被完全去磁，磁路某些部位会变得较为饱和；结合永磁体在600C的内禀退磁曲线，电机在反向磁场强度为1110A/m时，才可能去磁，而电枢磁场的磁场强度远小于这个值，从而可以保证电机的磁钢不会被去磁，可以稳定运行。,图3永久磁钢形成的气隙磁密分布,图4电枢短路形成的气隙磁密 分布,图5磁钢和电枢短路共同 形成的气隙磁密分布,5 结论,永磁电机的去磁反应是影响其正常工作的重要因素，使用ANSYS软件，可以精确计算出电机气隙磁密的大小（如果需要可以知道任意部位的磁密的大小），较以前场化路的方法更加直接何精确，从而可以对去磁效应进行定量的计算，以确定电机的最终工作点，并且同电机的退磁曲线比较，以确保电机的工作点在退磁曲线的拐点以上，从而可以保证电机的安全运行。,三、利用求解 POWERFORMER 发电机的空载特性,摘要:设计了一种全新的发电机,它无需升压变压器直接连接到电网。为了产生高压电,定子为多层同心式绕组,定子槽很深且与传统发电机不同,气隙磁密、定转子外径也比传统发电机大。本文着重叙述用软件求解该电机的空载特性。 关键词气隙磁场有限元,1引言在传统发电机中,大型旋转电机定子线棒由外包介电强度高的环氧为主绝缘的长方形截面导体组成。为减少涡流损耗,避免产生电晕,各股线必须彼此绝缘,并沿线棒和绕组端部进行复杂地形状换位。 传统设计使发电机的额定电压很难超过3035。 是一种全新的发电机,定子绕组为高压交联聚乙烯()电缆,它的截面为圆形。从麦克斯韦方程可知,圆形导体产生的电场均匀分布,这是高压旋转电机所必须的条件。由于它无需升压变压器就可以直接连接到电网,省略了升压变压器,电厂的效率比常规电厂高出0 5%1 0%。,2的有限元分析分析过程包含3个步骤:(1)创建有限元模型。包括: 创建或读入有限元模型; 定义材料属性; 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(分析是否正确)。,3空载特性的计算,3 .1物理模型 由于电机空载运行磁场对称分布,我们仅取了电机的四分之一,这一方面可减少其工作量和解题规模,另一方面也不失其代表性。电机物理模型如图所示。,3. 2基本假设,(1)采用二维场模拟实际磁场;选取国际单位制;直角坐标系。 (2)对定子槽口、定子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。 (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。,3. 3有限元方法,由于区域内存在电流,须用矢量磁位求解,考虑到铁心中的饱和效应,则满足非线性的准泊松方程。在转子内圆和定子外圆圆弧线、上,磁场满足=0,即满足第一类齐次边界条件:在和线上满足|=-|,即满足半周期性边界条件。所以磁场的准泊松方程边值问题为:,3. 4求解,根据的分析步骤,对建立二维有限元模型。由于我们仅进行平面分析,故采用的53电磁单元,气隙部分最为重要,也是我们关注的地方,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约为25000个左右。然后对电机内部的各种材料进行定义。根据前面的分析后对模型施加边界条件并进行求解。求解可以得出的磁力线分布图,如图所示。,同时,也可以得到的气隙磁密图即为沿着气隙中心线所得到的气隙磁密的波形图。,由此得出后,便可求取空载特性。根据磁密,于是可求得磁通和感应电势1,即 =(2/)1=4 4411 式中,极距,频率,定子铁心有效长度,定子绕组每相串联匝数,1绕组系数。 在励磁绕组内赋以不同的励磁电流,通过求解非线性饱和场得出各点的磁密,并求出不同的感应电势1(0空载电压),于是便得到的空载特性0=()。,设额定空载励磁电流0=14 91,分别计算了=2,6,8,10,12,13,14,14 91,15 5,16,20,25,50,70,100等十五组数据,并利用可得到空载特性曲线,见图。,4结论,是一种功能强大的有限元软件,可以灵活、方便的对问题进行分析、计算。运用它求解得出的空载特性,能较好地逼近实测的空载特性。,