搜索ANSYS電機(jī)電磁場有限元分析
2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
ANSYS軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大、靈活的,融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。廣泛用于核工業(yè)、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、土木工程等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域的設(shè)計(jì)分析。
在實(shí)際的電機(jī)電磁場分析中,電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極形狀、定子齒槽形狀、氣隙大小以及鐵磁材料均已確定,但是當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)十定子齒槽的位置不同時(shí)一,其計(jì)算結(jié)果也不相同。為了分析電機(jī)電磁場問題,若把定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置固定不變進(jìn)行求解,再對(duì)電磁場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解來計(jì)算電機(jī)繞組的電勢則誤差太大。為此,需要對(duì)定、轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)一分別進(jìn)行計(jì)算,然后通過電磁場的計(jì)算結(jié)果求出電機(jī)何個(gè)定子齒部磁通隨轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系,然后根據(jù)磁通的變化率求出電機(jī)基波繞組的電勢。ANSYS軟件是目前應(yīng)用最為廣泛、使用最方便的通用有限元分析軟件之一,應(yīng)用ANSYS軟件來分析電機(jī)電磁場是非常有效的。但是當(dāng)采用ANSYS軟件的圖形用戶界面( GUI)操作方式時(shí),每次定、轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)、網(wǎng)格剖分、施加載荷進(jìn)行求解、查看計(jì)算結(jié)果等都需要人工進(jìn)行重復(fù)操作,使用起來非常繁瑣,并且效率低。為此,木文采用ANSYS軟件的APDL語言編寫的軟件對(duì)同步發(fā)電機(jī)的空載磁場進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的自動(dòng)旋轉(zhuǎn),自動(dòng)網(wǎng)格剖分,自動(dòng)施加載荷以及自動(dòng)求解的功能。整個(gè)電磁場分析過程無需人工進(jìn)行干預(yù),使用方便,便于修改,并且大大提高了計(jì)算速度。通過對(duì)同步發(fā)電機(jī)電磁場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理,得出了同步發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場波形和電壓波形。
2 軟件實(shí)現(xiàn)
ANSYS軟件提供了圖形用戶界面與命令流兩種方式來分析電機(jī)電磁場問題。在電機(jī)電磁場計(jì)算中,命令流方式和圖形用戶界面方式相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)通用性好,對(duì)于同系列、同型號(hào)的電機(jī)電磁場計(jì)算只要對(duì)電機(jī)的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改即可,而采用ANSYS的圖形用戶界面方式進(jìn)行電機(jī)電磁場計(jì)算,每次計(jì)算都要重新輸入圖形,沒有通用性;(2)通過合理應(yīng)用ANSYS的APDL語言編寫一個(gè)兩重循環(huán)程序就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子自動(dòng)旋轉(zhuǎn)和自動(dòng)施加勵(lì)磁電流的功能,與ANSYS的圖形用戶界面方式相比,減少了人機(jī)交互的次數(shù),縮短了計(jì)算時(shí)間。
2.1軟件編寫
ANSYS軟件自帶的APDL語言的編寫方法有兩種,一種是對(duì)ANSYS軟件的命令及相關(guān)參數(shù)非常熟悉的情況下,只需在一個(gè)新建的文本文檔中直接編寫;另一種是對(duì)ANSYS軟件的命令及相關(guān)參數(shù)不很清楚的情況下命令流程序的編寫。由于ANSYS軟件提供的圖形用戶界面與命令流這兩種方式之間是一一對(duì)應(yīng)的,也就是說,當(dāng)執(zhí)行一步圖形用戶界面操作,ANSYS軟件就會(huì)自動(dòng)把相應(yīng)的命令保存所設(shè)置的工作文件中,然后將該命令拷貝到一個(gè)新建的文木文檔中,保存起來。具體操作為【List】-【File】-【Log File】。這樣,只需要使用一次完整的圖形用戶界面操作,就可以編寫出相應(yīng)的命令流程序。本文將ANSYS的APDL語言應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)空載磁場中,為了計(jì)算準(zhǔn)確,在同一個(gè)勵(lì)磁電流下,在一個(gè)定子齒距內(nèi)均分20等份,對(duì)何一等份計(jì)算一次電機(jī)電磁場;也就是說計(jì)算20個(gè)定、轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)一的電機(jī)電磁場。軟件的流程圖如圖1所示。流程圖中N1表不一個(gè)定子齒距內(nèi)均等份數(shù),N2表不施加勵(lì)磁電流的個(gè)數(shù)(工祝數(shù))I、J表示循環(huán)變量。
2.2軟件調(diào)用
在ANSYS軟件環(huán)境下點(diǎn)擊菜單[File]-[Readlnput From],在系統(tǒng)彈出的對(duì)話框中,選中所保存的文件名后,點(diǎn)擊OK按鈕。
3 同步發(fā)電機(jī)空載磁場有限元分析
電機(jī)內(nèi)部的電磁場分布較為復(fù)雜,采用傳統(tǒng)的等效磁路方法分析會(huì)帶來較大的誤差。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,一般采用有限元法對(duì)電機(jī)內(nèi)部電磁場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在同步發(fā)電機(jī)空載電磁場計(jì)算中,為了便于計(jì)算電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)一的磁場變化,沒有利用電機(jī)磁場的對(duì)稱性和周期性對(duì)電機(jī)的一個(gè)磁極進(jìn)行電磁場分析,而是對(duì)電機(jī)的整體進(jìn)行二維電磁場分析。場域剖分采用四邊形八節(jié)點(diǎn)形式,并且采用矢量磁位Az來求解?，F(xiàn)對(duì)電機(jī)作如下假設(shè):
(1)采用二維場模擬實(shí)際磁場,選取MKS國際單位制,直角坐標(biāo)系;
(2)對(duì)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)忽略裝配誤差;
(4)不計(jì)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),因此同步發(fā)電機(jī)的磁場可作為非線性穩(wěn)定磁場來處理;
(5)鐵心里的磁導(dǎo)率是各相同性的。
在上述假設(shè)的前提下,得到下列非線性泊松方程邊界條件:
同步電機(jī)空載的氣隙磁場不僅與勵(lì)磁電流的大小有關(guān),而且與轉(zhuǎn)子磁極形狀、定子齒槽形狀、氣隙大小和鐵磁材料的飽和有關(guān)。在實(shí)際的電磁場分析中,電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極形狀、定子齒槽形狀、氣隙大小以及鐵磁材料均已確定,但是當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子齒槽的位置不同時(shí),其計(jì)算結(jié)果也不相同。圖2~圖5分別給出了同一電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子齒槽位置不同時(shí)的兩種情況及其對(duì)應(yīng)位置下氣隙磁密B隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度變化的波形。
從圖中可以看出,定、轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)的氣隙磁密波形也不相同。因此定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置固定不變進(jìn)行求解,然后再對(duì)氣隙磁密進(jìn)行傅氏級(jí)數(shù)分解來計(jì)算電機(jī)繞組的電勢是不準(zhǔn)確的。
4 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)
為了詳細(xì)說明應(yīng)用ANSYS的APDL語言編寫的軟件在同步發(fā)電機(jī)空載磁場中的應(yīng)用,本文采用的樣機(jī)參數(shù)如下:額定功率PN=30 kW ,額定電壓UN = 400 V ,額定頻率fN =50 Hz ,額定電流Ir =54. 1 A,功率因數(shù)cosΦ=0.8;定子槽數(shù)z=36。
根據(jù)計(jì)算出的矢量磁位AZ的值進(jìn)行后處理,先求出何一個(gè)齒下的磁通隨轉(zhuǎn)角變化的波形,然后根據(jù)齒磁通與主磁通和繞組磁鏈的關(guān)系,求出主磁通波形、繞組磁鏈波形、旋轉(zhuǎn)磁場波形(如圖6所示)、基波繞組電壓波形(如圖7所示),并計(jì)算出基波繞組電壓有效值(如表1所示)。
從圖中可以看出:由于繞組的分布和短距,其基波電勢波形的諧波分量比旋轉(zhuǎn)磁場的諧波分量大幅度降低。從表中可看出,主繞組電壓有效值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小,滿足了國家規(guī)定的誤差低于5%的要求。
5 結(jié)論
ANSYS軟件是一種功能強(qiáng)大的有限元分析軟件,具有較高的分析精度,可以靈活方便地對(duì)電磁場問題進(jìn)行分析和計(jì)算。根據(jù)有限元原理,應(yīng)用ANSYS自帶的APDL語言編寫的軟件對(duì)同步發(fā)電機(jī)電磁場進(jìn)行了大量的計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小,因此應(yīng)用ANSYS的APDL語言開發(fā)的軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
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