ANSYS電機電磁場有限元分析

2013-08-13 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來源:仿真在線

ANSYS電機電磁場有限元分析

1 前言

    ANSYS軟件是一個功能強大、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)計分析。

    在實際的電機電磁場分析中,電機的轉(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)子相對十定子齒槽的位置不同時一,其計算結(jié)果也不相同。為了分析電機電磁場問題,若把定、轉(zhuǎn)子相對位置固定不變進行求解,再對電磁場計算結(jié)果進行傅立葉級數(shù)分解來計算電機繞組的電勢則誤差太大。為此,需要對定、轉(zhuǎn)子不同位置時一分別進行計算,然后通過電磁場的計算結(jié)果求出電機何個定子齒部磁通隨轉(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,每次定、轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)、網(wǎng)格剖分、施加載荷進行求解、查看計算結(jié)果等都需要人工進行重復(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語言編寫的軟件對同步發(fā)電機的空載磁場進行研究,實現(xiàn)了電機定、轉(zhuǎn)子之間的自動旋轉(zhuǎn),自動網(wǎng)格剖分,自動施加載荷以及自動求解的功能。整個電磁場分析過程無需人工進行干預(yù),使用方便,便于修改,并且大大提高了計算速度。通過對同步發(fā)電機電磁場計算結(jié)果進行后處理,得出了同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)磁場波形和電壓波形。

2 軟件實現(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電磁場問題。在電機電磁場計算中,命令流方式和圖形用戶界面方式相比,具有以下優(yōu)點:(1)通用性好,對于同系列、同型號的電機電磁場計算只要對電機的尺寸參數(shù)進行修改即可,而采用ANSYS的圖形用戶界面方式進行電機電磁場計算,每次計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語言編寫一個兩重循環(huán)程序就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子自動旋轉(zhuǎn)和自動施加勵磁電流的功能,與ANSYS的圖形用戶界面方式相比,減少了人機交互的次數(shù),縮短了計算時間。

    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,只需在一個新建的文本文檔中直接編寫;另一種是對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軟件就會自動把相應(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)電機空載磁場中,為了計算準(zhǔn)確,在同一個勵磁電流下,在一個定子齒距內(nèi)均分20等份,對何一等份計算一次電機電磁場;也就是說計算20個定、轉(zhuǎn)子不同位置時一的電機電磁場。軟件的流程圖如圖1所示。流程圖中N1表不一個定子齒距內(nèi)均等份數(shù),N2表不施加勵磁電流的個數(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)境下點擊菜單[File]-[Readlnput From],在系統(tǒng)彈出的對話框中,選中所保存的文件名后,點擊OK按鈕。

3 同步發(fā)電機空載磁場有限元分析

    電機內(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帶來較大的誤差。為保證計算的準(zhǔn)確性,一般采用有限元法對電機內(nèi)部電磁場進行數(shù)值計算。在同步發(fā)電機空載電磁場計算中,為了便于計算電機旋轉(zhuǎn)時一的磁場變化,沒有利用電機磁場的對稱性和周期性對電機的一個磁極進行電磁場分析,而是對電機的整體進行二維電磁場分析。場域剖分采用四邊形八節(jié)點形式,并且采用矢量磁位Az來求解。現(xiàn)對電機作如下假設(shè):

    (1)采用二維場模擬實際磁場,選取MKS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、倒角等細微之處作近似處理;

    (3)忽略裝配誤差;

    (4)不計交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組、鐵心沖片及機座中的渦流反應(yīng),因此同步發(fā)電機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:

ANSYS電機電磁場有限元分析ansys培訓(xùn)的效果圖片1

同步電機空載的氣隙磁場不僅與勵磁電流的大小有關(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)。在實際的電磁場分析中,電機的轉(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)子相對于定子齒槽的位置不同時,其計算結(jié)果也不相同。分別給出了同一電機轉(zhuǎn)子相對于定子齒槽位置不同時的兩種情況及其對應(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)子位置不同時的氣隙磁密波形也不相同。因此定、轉(zhuǎn)子相對位置固定不變進行求解,然后再對氣隙磁密進行傅氏級數(shù)分解來計算電機繞組的電勢是不準(zhǔn)確的。

4 計算結(jié)果和實驗

    為了詳細說明應(yīng)用ANSYS的APDL語言編寫的軟件在同步發(fā)電機空載磁場中的應(yīng)用,本文采用的樣機參數(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)計算出的矢量磁位AZ的值進行后處理,先求出何一個齒下的磁通隨轉(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、基波繞組電壓波形,并計算出基波繞組電壓有效值。

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算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差較小,滿足了國家規(guī)定的誤差低于5%的要求。

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