ANSYS界面化電機磁場分析程序設計

2013-08-13 by:廣州CAE有限元應用中心來源:仿真在線

ANSYS界面化電機磁場分析程序設計

0 引言

ANSYS軟件在電機磁場分析中占有重要地位。對已經(jīng)設計好的電機模型進行計算屬于校核計算,在電機設計過程中對不同方案模型的計算屬于預先計算。初級分析采用GUI(人機交互)操作方式是合適的,其主要優(yōu)點就是人機交互,直觀簡單;但是,該方式每一步操作都需要人工干預,幾乎很難完成復雜和動態(tài)計算。因此,ANSYS軟件給了用戶二次開發(fā)的APDL (ANSYS參數(shù)化設計語言) ,它是一門可用來自動完成有限元分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言, APDL允許復雜的數(shù)據(jù)輸入,使用戶實際上對任何設計或分析屬性有控制權。但是,基于APDL 開發(fā)的電磁場計算程序需要較為專業(yè)的維護,即在不同電機間移植過程中需要對源代碼進行大量修改,修改后還需要重新調(diào)試,因此該程序通用性不強,穩(wěn)定性和可靠性也不夠理想。

本文以齒磁通法為算法基礎,將有限元模型的建立與加載求解分開;通過UDL 實現(xiàn)了控制變量和電機物理參數(shù)的可視化輸入,利用這些參數(shù)結合模塊化結構的APDL 程序,使得整個分析過程不需修改源代碼。在給定材料特性以及實體模型已經(jīng)創(chuàng)建的情況下,僅在開始時一次性輸入多個工況條件,整個求解過程將自動完成,因此具有操作簡便、節(jié)省工時、計算量小、結果準確等特點。實現(xiàn)這一優(yōu)化,重點解決了參數(shù)的傳遞、電樞繞組的通用模型以及循環(huán)控制等問題。

1 程序設計

本文將電機的幾何尺寸以及電氣參數(shù)統(tǒng)稱為物理參數(shù), 這些參數(shù)主要用于材料的分配、網(wǎng)格剖分、邊界條件的定義、載荷施加等環(huán)節(jié)中,作為選擇實體單元的控制參數(shù)。因此在GUI方式創(chuàng)建了實體幾何模型后,這些參數(shù)需要通過界面方式輸入到主程序中。而決定計算工況(如勵磁電流、負載電流等)以及計算方法(如一次算法、齒磁通法)等的一些變量本文統(tǒng)稱為控制參數(shù),用戶通過設置這些參數(shù)的值來選擇所需的計算分析功能。

1.1 實體幾何模型的創(chuàng)建

本程序采用半周期邊界條件計算電機磁場,因此只需建立一個極距下的電機實體模型?？紤]到電機結構的多樣性,實體幾何模型的創(chuàng)建采用GUI方式,但創(chuàng)建過程中需要遵循既定的一些規(guī)范,以便在計算分析過程中選擇實體單元時不出現(xiàn)錯誤。在ANSYS的GUI下的每一步操作均記錄在生成的log文件中,因此對log文件進行適當修改,即可得到電機實體建模的APDL命令流,保存為model.txt,作為創(chuàng)建實體幾何模型子程序,保存在工作目錄中,以備調(diào)用。圖1為按照既定規(guī)范創(chuàng)建的實體模型。

1.2 電機磁場有限元分析的算法設計根據(jù)文獻提出的齒磁通計算法,至少需要計算一個齒距下旋轉(zhuǎn)N (N 通常取10~20)步的電磁場,然后根據(jù)每步的各個定子齒的磁通,并按照一定的辦法進行擴展,得出旋轉(zhuǎn)磁場的波形。此方法具有計算精度高,能方便計算繞組的電勢波形和幅值等優(yōu)點。

先前采用齒磁通法計算電磁場的APDL流程圖。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,由于介質(zhì)的改變,需要重新建立有限元模型,即每旋轉(zhuǎn)一步后必須重新進行網(wǎng)格剖分。計算不同工況時(勵磁電流改變或者電樞電流改變)只改變某些實體的載荷,有限元模型并不變化,而分析過程中往往需要同時對多個工況進行分析,因此該算法存在大量的重復計算。本程序?qū)⒂邢拊Ｐ偷慕⑦^程與計算求解過程分開,其流程圖如圖3所示。即將轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一步的N個有限元模型(完成網(wǎng)格剖分、邊界條件定義)創(chuàng)建好,并保存在工作目錄中,不同工況或者物理參數(shù)變動時只需順次調(diào)用這些模型,而不必重新創(chuàng)建有限元模型,因此可以大大縮短計算時間。

1.3 電機物理參數(shù)及控制參數(shù)的界面化輸入

本程序主要使用了以下兩組UDL命令:

·MULTIPRO, ’start’, Promp t_Num

* CSET, Strt_Loc, End _Loc, Param _Name, ’

Promp t_String’,Def_Value

MULTIPRO, ’end’

·*ASK, Par, Query, DVAL

每組“MULTIPRO”命令可以實現(xiàn)10 個數(shù)值型參數(shù)的輸入,當需要輸入的參數(shù)較多時,可以使用多組命令,其中’Promp t_String’是對參數(shù)的提示或者解釋?！?ASK”命令可以完成字符串和數(shù)值型參數(shù)的輸入。需要輸入的主要控制參數(shù)及物理參數(shù)。

1.4 電樞繞組的通用模型

與定子電流的加載電機空載時,電樞繞組可以當作氣隙來處理,但是當電樞繞組中通以電流后就需要對定子各個槽中的電流進行計算賦值。定子繞組的排布變化多樣,即使機座號相同(其有限元模型通常是一樣的) ,不同規(guī)格電機的繞組排布也往往不同,因此使用先前的程序計算負載時需要大量修改APDL 程序源代碼。要實現(xiàn)界面化加載負載電流,就必須解決程序的通用性,建立定子繞組的通用模型,從而在不修改源代碼的情況下實現(xiàn)不同形式繞組的輸入和處理。一臺凸極同步發(fā)電機,定子槽數(shù)Z1=60, 極對數(shù)p=2,雙層疊繞組,其U相一極下繞組展開圖.

該繞組由5把線圈組成, 每把匝數(shù)為3, 跨距為1 - 14、2- 15、3 - 16、4 - 17、5- 18,即繞組最大跨度(該繞組最右邊的槽號) Nmax為18, 因此可以用一個18維的向量Wu1表示,Wu1各個元素的絕對值為該槽包含U 相單支路繞組的導體根數(shù);由于繞組的兩邊分別處于磁極的的N極和S極下,因此設定一邊為正時另一邊則為負值。因此圖4中繞組對應的Wu1為

Wu1 = [ 3, 3, 3, 3, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,- 3, - 3, - 3, - 3, - 3 ] (1)

Wu1即為電樞繞組的基本向量, 整機繞組可以通過此向量擴展得到。U相繞組的下一條支路起始槽號應該為

其與Wu1的關系為:

ANSYS界面化電機磁場分析程序設計ansys分析案例圖片2

Wu2的維數(shù)為n = 2 ×18 - (18 - 15) = 33。實際上電樞繞組是以Z1/P為周期循環(huán)的, 因此可令S1 = S31 , S2= S32 , S3 = S33 ,同時將S31、S32、S33 ,三個元素刪除,從而得到新的向量:

ANSYS界面化電機磁場分析程序設計ansys圖片圖片3

在Wu1的尾部填補12個0元素, 得到一個30維的向量Wu4 :

ANSYS界面化電機磁場分析程序設計ansys培訓課程圖片4

則U相繞組向量可以表示為:

由于V相、W 相繞組分別與U 相繞組相距空間電角度+ 120°和- 120°, 因此可通過Wu 分別向左右移位得出V 相、W 相繞組向量Wv、Ww 。從而得出電機一對極下的電樞繞組電流向量為:

式中: Iu、Iv、Iw 分別為某一時刻U相、V相、W 相電流的峰值。將WI 各個元素除以每槽導體截面積便得到定子電密,將此電密值加載到定子繞組圖元上即完成了定子電流的加載。從上可以看出,不管定子繞組為何種形式,程序運行時只要求輸入基本繞組向量Wu1 , 整個電樞繞組和各個槽的電密便可通過后臺運行的APDL程序得出,因此其通用性強,輸入簡單,工作量少。

1.5 參數(shù)的傳遞

圖3中,當創(chuàng)建完有限元模型后,需要清除所有的參數(shù)以防止計算出錯。由于要實現(xiàn)一次建立的有限元模型能為多次計算分析使用(此時控制參數(shù)通常將發(fā)生變化) ,而一旦使用命令RESUME調(diào)用有限元模型,系統(tǒng)所有參數(shù)將恢復為創(chuàng)建有限元模型過程中輸入的參數(shù),即用戶新輸入的控制參數(shù)將失去控制作用。為此, 可以使用“ PARSAV ”和“PARRES”命令實現(xiàn)參數(shù)的傳遞,達到修改參數(shù)的目的。

2 計算時間比較

分別用先前的程序與本程序?qū)σ慌_90 kW 的三次諧波勵磁發(fā)電機的空載特性進行計算,計算采用齒磁通法,勵磁電流取10個點,剖分精度等均相同,計算過程中使用同一臺計算機,操作者對APDL熟練。首次分析時,使用先前的程序除了定義材料外其他過程均需修改或者重新編寫源代碼,使用本程序只需根據(jù)彈出窗口界面提示輸入對應的控制參數(shù)或者物理參數(shù),因此節(jié)省了大量的操作時間。表3列出了這兩套程序的耗時情況。

從表中可以看出,由于無需修改源代碼,在操作耗時方面僅為先前程序的1/5;當電機結構或工況改變時,本程序不再重新網(wǎng)格剖分,相比縮短了約一半的計算時間。實際上,當電機極數(shù)等不同時,由于先前的程序的可移植性差,其耗費的時間將更大,且修改過程中極易容易發(fā)生錯漏現(xiàn)象,需要反復調(diào)試。而使用本程序則不涉及源代碼修改,操作上節(jié)省了大量時間。對多個工況進行分析時,本程序的優(yōu)勢是十分明顯的。另外由于本程序通過界面操作,因此使用簡單,即使用戶對ANSYS軟件和APDL不熟悉也可以方便使用。

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