ANSYS分析實(shí)例C

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1、某某某項(xiàng)目研討會,演講人：*************,,一 、永 磁 電 機(jī) 電 磁 計 算,大型電機(jī)和特種電機(jī)的設(shè)計技術(shù)都有了巨大的進(jìn)步，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)計算的精度要求越來越高，設(shè)計研發(fā)的周期越來越短，傳統(tǒng)的分析計算不能很好的滿足上述要求。 有限元法作為一種電機(jī)電磁場數(shù)值解法臻于完善，其應(yīng)用也越來越廣泛。作為一種近似的數(shù)值計算方法，有限元法的計算精度很大程度上取決于網(wǎng)格剖分的疏密程度。對于一臺電機(jī)若采用三維模型計算，其計算量很大，不利于調(diào)試。 實(shí)踐證明如果忽略電機(jī)端部的影響，采用二維的磁場分析也能滿足設(shè)計的精度要求。利用電機(jī)結(jié)構(gòu)的周期性，選用充分、合理的電機(jī)計算區(qū)域作為有限元模型，可以對電

2、機(jī)模型進(jìn)一步的簡化。,1.基本的思想和分析原則,,應(yīng)用ANSYS 有限元軟件，對大型永磁電機(jī)的電磁場進(jìn)行分析和計算。這里只研究平行平面場即二維電磁場問題，因而只有一個自由度即矢量磁勢Az。電機(jī)的對稱周期取一對磁極范圍?？紤]漏磁的影響，把轉(zhuǎn)軸和機(jī)座作為模型的內(nèi)外邊界。 電磁場的經(jīng)典理論是麥克斯韋方程組，此處不再累述。這里引入矢量磁勢Az 的重要意義在于對平行平面場，兩點(diǎn)間矢量磁勢的差值就是兩點(diǎn)間沿z 軸單位長度上的磁通。 要注意二維電磁場分析計算得到的基本結(jié)果數(shù)據(jù)都是Az 值，通過對Az 值進(jìn)行處理可以方便的求出電機(jī)各處的磁密和磁場強(qiáng)度，磁通、反電勢和電磁轉(zhuǎn)矩等。,有限元分析的基本思路

3、如圖 所示,定義單元類型，材料屬性 電機(jī)的基本尺寸的參數(shù)化 轉(zhuǎn)子建模（含氣隙） 定子建模（含氣隙） 徑向拼接模型 處理模型的邊界條件 施加載荷 求解 后處理,,,,,,2.分析過程,定義硅鋼片材料特性時要注意，有些大型電機(jī)使用各向異性的冷軋硅鋼片，這里需考慮材料的正交各向異性。對定子齒部，認(rèn)為磁密的方向偏離軋制方向?yàn)? 度；對定子軛部，磁密的方向偏離軋制方向?yàn)?0 度；對轉(zhuǎn)子鐵芯來說，偏離軋制方向?yàn)?度，導(dǎo)磁率按靜磁場選擇（f0）。,2.1 定義電機(jī)材料特性 2.1.1 定義硅鋼片的材料屬性與磁化曲線,輸入BH 曲線要注意：,a) B 值與H 值要一一對應(yīng)，并且單調(diào)連續(xù)，BH曲線缺省通過原點(diǎn)，

4、（0，0）點(diǎn)不輸入。 b) ANSYS 程序根據(jù)BH 曲線自動計算vB 曲線（v 為磁阻率），它應(yīng)該也是單調(diào)連續(xù)的。因此如果vB 曲線不單調(diào)要重新修正BH 曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。 c) BH 曲線應(yīng)覆蓋材料的全部工作范圍，提供足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)以完整描述該材料特性。有時要剔除那些數(shù)值較大的點(diǎn)，再觀察曲線的單調(diào)性。,2.1.2永磁體的材料特性,需要說明的是永磁體的退磁曲線是指剩磁密度Br 與矯頑力Hcb 的曲線，以下簡稱BH 曲線。退磁曲線通常在第二象限，但ANSYS 程序中需按第一象限輸入。此外還需要知道永磁體的工作溫度，即電機(jī)內(nèi)部溫度分布，Br 的可逆溫度系數(shù)，Hcb 的可逆溫度系數(shù)。,2.2 參數(shù)化

5、建模,參數(shù)化建模具有很多優(yōu)點(diǎn)，各個變量物理意義明確，便于查找和修改。而且可以通過對話框快速對電機(jī)尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，縮短調(diào)試程序和優(yōu)化設(shè)計的時間。這里采用ANSYS 內(nèi)部的對話框進(jìn)行交互，可以方便其他設(shè)計人員對程序的調(diào)試，提高程序的通用性，也可以調(diào)整電機(jī)的氣隙長度，定子內(nèi)徑和定子鐵芯長等電機(jī)重要尺寸參數(shù)；可以輸入用于保存磁通量和電磁轉(zhuǎn)矩結(jié)果文件的文件名。,2.3有限元模型的建立和邊界條件,定、轉(zhuǎn)子應(yīng)分別建模，這樣兩部分模型不會相互干擾。定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙，可定義兩層或更多層，再經(jīng)過徑向拼接得到整個求解區(qū)域。分網(wǎng)時應(yīng)注意疏密結(jié)合，氣隙部分網(wǎng)格要足夠稠密，而且沿徑向應(yīng)均勻分網(wǎng)。其它部分網(wǎng)格可稀疏些。

6、模型盡量使用四邊形網(wǎng)格，并保證節(jié)點(diǎn)連續(xù)。 (氣隙部分一定密一些）,,這里只研究電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定情況，用有限元法進(jìn)行電機(jī)的電磁場分析，要模擬電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的相對運(yùn)動。這里使用運(yùn)動邊界法，即假設(shè)定子模型靜止不動，讓轉(zhuǎn)子部分旋轉(zhuǎn)，和真實(shí)情況一樣。具體如下：氣隙模型中有一條定、轉(zhuǎn)子網(wǎng)格重合的公共運(yùn)動邊界，分別為定、轉(zhuǎn)子的運(yùn)動邊界上的節(jié)點(diǎn)編號，并且保證相鄰節(jié)點(diǎn)徑向間距相等，這樣能保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后運(yùn)動邊界上的節(jié)點(diǎn)重合，壓縮重合的關(guān)鍵點(diǎn)（KP）、節(jié)點(diǎn)（node），保持網(wǎng)格的連續(xù)性。如圖。,2.4 后處理,2.4.1 反電勢的計算 首先使用ANSYS 的APDL 語言在工作路徑中創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件寫入每個線圈的Az

7、 值，然后關(guān)閉文件。循環(huán)計算中每次打開數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)以追加方式順序?qū)懭?。最后使用公式可計算出單根?dǎo)體反電勢，再根據(jù)一相下所有導(dǎo)體的串并聯(lián)關(guān)系得到一相繞組的反電勢。,2.4.2 電機(jī)的計算轉(zhuǎn)矩,在后處理中還可以通過ANSYS 內(nèi)部的torq2d或torqc2d 磁宏命令計算電機(jī)的計算轉(zhuǎn)矩，先用path命令在氣隙中定義一條圓弧路徑（要注意圓弧路徑經(jīng)過周期對稱后應(yīng)該是閉合的），再調(diào)用torq2d 宏命令。 注意此時的結(jié)果是電機(jī)一個周期下沿軸向單位長度的計算轉(zhuǎn)矩，此結(jié)果乘以轉(zhuǎn)子鐵芯長，再乘以計算區(qū)域的周期數(shù)才是電機(jī)的計算電磁轉(zhuǎn)矩。,2.4.3 損耗的計算,在后處理中取出電機(jī)有限元模型中定子硅鋼片部分

8、的每個單元的面積和該單元對應(yīng)的切向磁密和徑向磁密值。 由該單元的各磁密值分別從對應(yīng)的硅鋼片的單位損耗曲線上插值得到單位鐵損。每個單元的面積乘以對應(yīng)的單位鐵損再對所有定子硅鋼片部分單元求和，所得值與定子鐵芯長、疊壓系數(shù)、硅鋼片密度和極對數(shù)的乘積即為定子鐵損。,2.4.4 氣隙磁密波形和磁力線,電機(jī)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時，無論是從機(jī)械能變成電能，或是從電能變成機(jī)械能，能量都是以電磁能的形式通過定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙進(jìn)行傳遞的，氣磁密是電機(jī)電磁場計算中重要的物理量。氣隙磁密波形和計算區(qū)域內(nèi)磁力線分布如圖 所示。,,3 結(jié)論 ANSYS 有限元軟件為電機(jī)的仿真和電機(jī)參數(shù)的計算提供了非常好的數(shù)值計算方法，相

9、信隨著對有限元認(rèn)識的加深，我們可以更加深入、細(xì)致、精確的對電機(jī)進(jìn)行分析和計算，大大加快電機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)的研發(fā)周期。,,二、永磁同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng) 去磁效應(yīng)的分析,,1引言 隨著釹鐵硼永磁材料的問世，它的高剩磁密度，高矯頑力，高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異性能特別適合用作永磁電機(jī)的磁鋼材料。但是如果電機(jī)設(shè)計或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或者過高（釹鐵硼永磁）過低（鐵氧體永磁）溫度時，可能造成永磁體的不可逆退磁，使電機(jī)性能降低甚至無法使用。,,永磁同步發(fā)電機(jī)在正常工作時，電樞磁場的軸線和永磁體的軸線一般不重合（我方采用的發(fā)電機(jī)為外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極式），通常磁鋼磁場的軸線位置

10、超前電樞磁場的軸線位置，對永磁體產(chǎn)生吸合或者排斥作用相對較弱；但是，在電樞繞組發(fā)生最嚴(yán)重的短路時，電樞磁場的軸線位置可能和永磁體的軸線位置對齊，并且極性相同，會對永磁體產(chǎn)生最嚴(yán)重的去磁效應(yīng)，這些情況，應(yīng)該在電機(jī)的設(shè)計中予以充分地考慮。,,永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是不需要勵磁繞組和直流勵磁電源的無刷電機(jī)，無勵磁繞組的銅損耗，比同容量的電勵磁式的發(fā)電機(jī)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。增大了氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，可以縮小電機(jī)體積，減輕質(zhì)量，提高功率質(zhì)量比。目前，永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電、航空航天和大型汽輪發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)等方面得到了大量應(yīng)用，單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到50006000KW。,,目前，永磁體的

11、價格相對還比較昂貴；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝位置又比較高，處于野外，安裝維護(hù)比較不便，更需要保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，一旦發(fā)生永磁體的不可逆退磁，則更換永磁體的工作量很大（一般永磁體是由粘接膠粘接在鋼件上，發(fā)電機(jī)的半徑又比較大，維修吊裝很不便）。 基于以上原因，必須保證永磁體在正常運(yùn)行和突然發(fā)生短路時，永磁體都不會發(fā)生不可逆退磁。,2電樞反應(yīng)磁場的計算,目前電磁場的計算方法有兩種： 一、場化路的方法，將實(shí)際空間存在的不均勻分布的磁場轉(zhuǎn)化成等效的多段磁路，并近似認(rèn)為在每段磁路中磁通沿截面和長度均勻分布，將磁場的計算轉(zhuǎn)化為磁路的計算，然后用各種系數(shù)修正，使各段磁路的磁位差等于磁場中對應(yīng)點(diǎn)之間的磁位差；

12、二、電磁場數(shù)值計算中的有限元法。有限元法是當(dāng)今數(shù)值計算領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的一種計算方法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、精度高，可以進(jìn)行專門問題的計算如永磁電機(jī)的失磁、永磁電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)與尺寸的優(yōu)化等。我方的電機(jī)為外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料用量大，更需精確計算，因而采用有限元方法計算。,,ANSYS軟件是目前世界范圍內(nèi)增長最快的CAE軟件，也是最先通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計類軟件。ANSYS可用來分析電磁領(lǐng)域多方面的問題。 其基本原理是將所處理的對象首先劃分成有限個單元(包含若干節(jié)點(diǎn)), 然后根據(jù)矢量磁勢或標(biāo)量電勢求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的磁勢和電勢,繼而進(jìn)一步

13、求解出其他相關(guān)量。 ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達(dá)方式,包括各向同性和正交各向異性線性磁導(dǎo)率,材料的曲線和永磁體的退磁曲線。后處理允許用戶顯示磁力線、磁通密度并進(jìn)行力、力矩、端電壓和其他參數(shù)的計算。,3 ANSYS的有限元分析,ANSYS分析過程包含3個步驟：(1)創(chuàng)建有限元模型。包括：創(chuàng)建或讀入有限元模型；定義材料屬性；劃分網(wǎng)格(節(jié)點(diǎn)和單元)。(2)施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項(xiàng),然后求解。(3)查看結(jié)果。查看分析結(jié)果,然后檢驗(yàn)結(jié)果。,,4.1建立物理模型,由于電機(jī)空載運(yùn)行磁場對稱分布,取電機(jī)的局部建模, 一方面可減少其工作量和解題規(guī)模,另一方面也不失代表性。電機(jī)物

14、理模型如圖所示。,,,4. 2基本假設(shè),(1)采用二維場模擬實(shí)際磁場；選取國際單位制；直角坐標(biāo)系。 (2) 忽略電機(jī)的各種絕緣材料；對定子槽口、扇形片的圓角及磁極沖片部分圓角、倒角等細(xì)微之處作近似處理。 （3)不計交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組、鐵心沖片及機(jī)座中的渦流反應(yīng),因此同步電機(jī)的磁場可作為非線性恒定磁場來處理。,4.3電樞產(chǎn)生磁場,電機(jī)的實(shí)際磁場為交變的（大小和空間位置都在改變）?？紤]最為不利的因素（電機(jī)繞組的出線端發(fā)生短路或其他故障時，電機(jī)突然短路時電流可以達(dá)到額定值的20倍），電樞繞組形成的去磁磁場位置和極性與永磁體相同，方向相反，對永磁體會形成強(qiáng)烈的去磁效應(yīng)。 三相繞組中的電流

15、的初相位設(shè)為00，則三相電流瞬時的大小為：,,取t=0時刻進(jìn)行分析，總有一相繞組的電流達(dá)到最大，圖中A相電流達(dá)到最大，末端流入，首端流出，其余兩相電流幅值為A相的一半，相位與A相相反，則電樞繞組的磁場位置處于電流最大相繞組的軸線位置，即與中間最大塊的永磁體的位置相同，極性也相同，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的去磁效應(yīng)。,4.4有限元方法,由于區(qū)域內(nèi)存在電流,須用矢量磁位AZ求解,考慮到鐵心中的飽和效應(yīng),則AZ滿足非線性的準(zhǔn)泊松方程。在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓和定子外圓圓弧線DE、FG上,磁場滿足AZ=0,即滿足第一類齊次邊界條件：在DF和EG線上滿足|DF=-|EG,即滿足周期性邊界條件。所以磁場的準(zhǔn)泊松方程邊值問題為 電流密

16、度；磁阻率。,4.5 ANSYS求解,由于僅進(jìn)行平面分析,故采用ANSYS的PLANE53電磁單元,氣隙部分最為重要,也是關(guān)注的地方,因此在網(wǎng)格剖分時,在氣隙中間取了一條曲線,模型的單元劃分?jǐn)?shù)目盡量細(xì)致。對電機(jī)內(nèi)部的各種材料進(jìn)行定義。根據(jù)前面的分析后對模型施加邊界條件并進(jìn)行求解。ANSYS求解可以得出電機(jī)的磁力線分布圖,如圖所示。,,,圖3 為磁鋼單獨(dú)作用時，一個磁極下氣隙中磁密的分布，為一平頂波，其幅值為2.523，圖4為電樞繞組發(fā)生短路時，電樞繞組單獨(dú)形成的磁場氣隙中磁密的分布，為一接近的正弦形，圖5為磁鋼和繞組共同作用時形成的磁場氣隙中磁密的分布，幅值為2.469。 由圖可以看出，電機(jī)

17、的磁鋼受到繞組的去磁作用，磁場的幅值有所減弱，但是磁鋼覆蓋的大部分區(qū)域磁密依然能夠保持一定的數(shù)值，減小程度很小，所以不會被完全去磁，磁路某些部位會變得較為飽和；結(jié)合永磁體在600C的內(nèi)稟退磁曲線，電機(jī)在反向磁場強(qiáng)度為1110A/m時，才可能去磁，而電樞磁場的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于這個值，從而可以保證電機(jī)的磁鋼不會被去磁，可以穩(wěn)定運(yùn)行。,,,,,,圖3永久磁鋼形成的氣隙磁密分布,圖4電樞短路形成的氣隙磁密 分布,圖5磁鋼和電樞短路共同 形成的氣隙磁密分布,5 結(jié)論,永磁電機(jī)的去磁反應(yīng)是影響其正常工作的重要因素，使用ANSYS軟件，可以精確計算出電機(jī)氣隙磁密的大?。ㄈ绻枰梢灾廊我獠课坏拇琶艿拇笮。?，

18、較以前場化路的方法更加直接何精確，從而可以對去磁效應(yīng)進(jìn)行定量的計算，以確定電機(jī)的最終工作點(diǎn)，并且同電機(jī)的退磁曲線比較，以確保電機(jī)的工作點(diǎn)在退磁曲線的拐點(diǎn)以上，從而可以保證電機(jī)的安全運(yùn)行。,三、利用求解 POWERFORMER 發(fā)電機(jī)的空載特性,,摘要:設(shè)計了一種全新的發(fā)電機(jī),它無需升壓變壓器直接連接到電網(wǎng)。為了產(chǎn)生高壓電,定子為多層同心式繞組,定子槽很深且與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同,氣隙磁密、定轉(zhuǎn)子外徑也比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)大。本文著重敘述用軟件求解該電機(jī)的空載特性。 關(guān)鍵詞氣隙磁場有限元,,1引言在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中,大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子線棒由外包介電強(qiáng)度高的環(huán)氧為主絕緣的長方形截面導(dǎo)體組成。為減少渦流損耗

19、,避免產(chǎn)生電暈,各股線必須彼此絕緣,并沿線棒和繞組端部進(jìn)行復(fù)雜地形狀換位。 傳統(tǒng)設(shè)計使發(fā)電機(jī)的額定電壓很難超過3035。 是一種全新的發(fā)電機(jī),定子繞組為高壓交聯(lián)聚乙烯()電纜,它的截面為圓形。從麥克斯韋方程可知,圓形導(dǎo)體產(chǎn)生的電場均勻分布,這是高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)所必須的條件。由于它無需升壓變壓器就可以直接連接到電網(wǎng),省略了升壓變壓器,電廠的效率比常規(guī)電廠高出0 5%1 0%。,,2的有限元分析分析過程包含3個步驟:(1)創(chuàng)建有限元模型。包括: 創(chuàng)建或讀入有限元模型; 定義材料屬性; 劃分網(wǎng)格(節(jié)點(diǎn)和單元)。 (2)施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項(xiàng),然后求解。 (3)查看結(jié)果。查看分析結(jié)果,然后

20、檢驗(yàn)結(jié)果(分析是否正確)。,3空載特性的計算,3 .1物理模型 由于電機(jī)空載運(yùn)行磁場對稱分布,我們僅取了電機(jī)的四分之一,這一方面可減少其工作量和解題規(guī)模,另一方面也不失其代表性。電機(jī)物理模型如圖所示。,3. 2基本假設(shè),(1)采用二維場模擬實(shí)際磁場;選取國際單位制;直角坐標(biāo)系。 (2)對定子槽口、定子扇形片的圓角及磁極沖片部分圓角、倒角等細(xì)微之處作近似處理。 (3)不計交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組、鐵心沖片及機(jī)座中的渦流反應(yīng),因此同步電機(jī)的磁場可作為非線性恒定磁場來處理。,3. 3有限元方法,由于區(qū)域內(nèi)存在電流,須用矢量磁位求解,考慮到鐵心中的飽和效應(yīng),則滿足非線性的準(zhǔn)泊松方程。在轉(zhuǎn)子內(nèi)圓

21、和定子外圓圓弧線、上,磁場滿足=0,即滿足第一類齊次邊界條件:在和線上滿足|=-|,即滿足半周期性邊界條件。所以磁場的準(zhǔn)泊松方程邊值問題為:,3. 4求解,根據(jù)的分析步驟,對建立二維有限元模型。由于我們僅進(jìn)行平面分析,故采用的53電磁單元,氣隙部分最為重要,也是我們關(guān)注的地方,因此在網(wǎng)格剖分時,在氣隙中間取了一條曲線,模型的單元劃分?jǐn)?shù)目約為25000個左右。然后對電機(jī)內(nèi)部的各種材料進(jìn)行定義。根據(jù)前面的分析后對模型施加邊界條件并進(jìn)行求解。求解可以得出的磁力線分布圖,如圖所示。,,同時,也可以得到的氣隙磁密圖即為沿著氣隙中心線所得到的氣隙磁密的波形圖。,,由此得出后,便可求取空載特性。根據(jù)磁密,于是可求得磁通和感應(yīng)電勢1,即 =(2/)1=4 4411 式中,極距,頻率,定子鐵心有效長度,定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù),1繞組系數(shù)。 在勵磁繞組內(nèi)賦以不同的勵磁電流,通過求解非線性飽和場得出各點(diǎn)的磁密,并求出不同的感應(yīng)電勢1(0空載電壓),于是便得到的空載特性0=()。,,設(shè)額定空載勵磁電流0=14 91,分別計算了=2,6,8,10,12,13,14,14 91,15 5,16,20,25,50,70,100等十五組數(shù)據(jù),并利用可得到空載特性曲線,見圖。,4結(jié)論,是一種功能強(qiáng)大的有限元軟件,可以靈活、方便的對問題進(jìn)行分析、計算。運(yùn)用它求解得出的空載特性,能較好地逼近實(shí)測的空載特性。,