ANSYS在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

在無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中,應(yīng)用AIVSYS軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、分析。設(shè)計(jì)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確,能夠節(jié)約永磁材料和縮短設(shè)計(jì)周期。

作者: 張濤    來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 無(wú)軸承電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī) ANSYS 電磁分析 

磁軸承具有無(wú)接觸、不需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn),已在現(xiàn)代高速機(jī)械設(shè)備中得以應(yīng)用。但由于磁軸承成本高,本身又占有一定的軸向空間,限制了高速電動(dòng)機(jī)的微型化,也限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率的進(jìn)一步提高。

利用磁軸承和電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性,在電動(dòng)機(jī)定子槽中嵌入兩套繞組,轉(zhuǎn)矩繞組與徑向力繞組,轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,徑向力繞組產(chǎn)生徑向力。兩套繞組的磁場(chǎng)通過(guò)氣隙相互作用產(chǎn)生徑向力,該力作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮控制,從而形成了無(wú)軸承電機(jī)。無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)與無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)和無(wú)軸承同步磁阻電動(dòng)機(jī)相比具有一些優(yōu)點(diǎn)①永磁體的存在,代替了定子勵(lì)磁繞組作為勵(lì)磁源,就不再需要激磁電流(=0)②相對(duì)于無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償相角滯后的復(fù)雜控制回路來(lái)說(shuō),無(wú)軸承永磁電動(dòng)機(jī)的控制回路相對(duì)簡(jiǎn)單;③功率因數(shù)和效率較高。而實(shí)際L,目前也只有無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了實(shí)際應(yīng)用,其他類型的無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)由永磁體磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩繞組通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)和徑向力繞組通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)三者相互疊加而成的。內(nèi)部磁場(chǎng)關(guān)系非常復(fù)雜。由于氣隙磁飽和的影響,同時(shí)徑向力與徑向力繞組電流呈非線性關(guān)系,所以清楚地掌握內(nèi)部磁場(chǎng)關(guān)系是進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試運(yùn)行的關(guān)鍵。

ANSYS是通用的有一限元分析軟件,在ANSYS中建立電動(dòng)機(jī)分析模型,進(jìn)行求解,通過(guò)后處理可以直觀地看出無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)懸浮原理、內(nèi)部磁力線分布、磁密分布和計(jì)算其徑向力、轉(zhuǎn)矩,并且精度較高。同時(shí)固定氣隙存在一個(gè)最優(yōu)的永磁體厚度,所產(chǎn)生的徑向力最大。

本文采用ANSYS 7. 0軟件對(duì)無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行二維電磁場(chǎng)靜態(tài)分析,簡(jiǎn)要介紹了分析步驟,闡述了電動(dòng)機(jī)懸浮原理,計(jì)算了本文設(shè)計(jì)的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的徑向力和轉(zhuǎn)矩。

    1.1建立幾何模型

進(jìn)入Main menu > Preferences,選擇與電磁分析相關(guān)的選項(xiàng)來(lái)過(guò)濾可視化圖形用戶界面,只顯示與電磁分析有關(guān)的內(nèi)容。本文采用簡(jiǎn)單、方便的用戶圖形界面方式來(lái)進(jìn)行分析,根據(jù)電機(jī)的實(shí)際尺寸,建立二維模型如圖1所示。

    圖1 二維有限元模型

    1.2定義材料屬性和設(shè)置單元類型

    (I)定、轉(zhuǎn)子鐵磁材料定義其B-H曲線。

    (2)繞組和氣隙區(qū)域定義其相對(duì)磁導(dǎo)率為1

    (3)采用小塊永磁體拼裝成4個(gè)磁極,定義每塊小磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率為1和每個(gè)小塊永磁體的矯頑力。

    所有區(qū)域采用PLANE53單元。

    根據(jù)區(qū)域的不同,將定義的材料和單元類型分配給對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

    1.3網(wǎng)格剖分

采用三角形網(wǎng)格,利用MESHTOOL中的智能網(wǎng)格剖分工具進(jìn)行剖分,精度為6,剖分結(jié)果如圖2所示,形成有限元分析模型,進(jìn)入加載、求解階段。

    圖2網(wǎng)格剖分圖
2加載、求解階段

在本文分析中,給繞組區(qū)域施加載荷為電流密度,N為每槽繞組匝數(shù);I為每匝繞組中的電流;S為繞組區(qū)域面積。邊界取外邊界條件,也就是讓磁力線平行與電機(jī)外圓周。

點(diǎn)擊Solution>Electrniagnet>Static Analysis,進(jìn)行自動(dòng)求解,接著進(jìn)入后處理分析階段。

    3后處理及分析

    3.1無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)懸浮原理驗(yàn)證

由文獻(xiàn)可知,無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)主要是永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。根據(jù)上面給出的二維有限元模型,首先對(duì)無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的磁場(chǎng)進(jìn)行分析研究,驗(yàn)證無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理。當(dāng)轉(zhuǎn)矩繞組加上三相電流,而徑向力繞組不通電,可以看出此時(shí)磁場(chǎng)呈四極分布。然后轉(zhuǎn)矩繞組不通電,而徑向力繞組加上三相電流,此時(shí)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)呈6極分布,如圖3所示。將兩套繞組同時(shí)通電,則電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)就發(fā)生變化,與文獻(xiàn)提到的無(wú)軸承電機(jī)原理相同,根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生原理可以得知:此時(shí)電機(jī)中確實(shí)產(chǎn)生了徑向力,如圖4所示。從上面的分析可以看出:徑向力繞組氣隙磁場(chǎng)打破了四極電機(jī)轉(zhuǎn)矩氣隙磁場(chǎng)的平衡,使得在A點(diǎn)處的磁場(chǎng)減弱,而在對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)處磁場(chǎng)得到增強(qiáng),根據(jù)電磁場(chǎng)的基本理論得知,此時(shí)確實(shí)產(chǎn)生了由A指向B的徑向力。從內(nèi)部磁場(chǎng)矢量圖5~圖7中更為直觀地看出內(nèi)部磁場(chǎng)由于相互疊加而產(chǎn)生徑向力的原理。

    圖3磁力線分布圖

圖8a給出了只有轉(zhuǎn)矩繞組通電轉(zhuǎn)子受力示意圖,可以看出此時(shí)的合力為零;圖8b是只有徑向力繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子受力示意圖,此時(shí)轉(zhuǎn)子所受合力也為零;但是當(dāng)兩套繞組同時(shí)通電時(shí),這時(shí)轉(zhuǎn)子受力如圖9所示,可以看出此時(shí)的合力沿著x軸正方向?？梢娨獙?shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)軸承化,定子中的兩套繞組缺一不可。

通過(guò)以上分析可知,當(dāng)兩套繞組同時(shí)通過(guò)電流時(shí),無(wú)軸承電機(jī)中確實(shí)產(chǎn)生了能夠使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向力。

    3. 2 轉(zhuǎn)矩與徑向力的計(jì)算

對(duì)無(wú)軸承永磁電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行驗(yàn)證之后,下面就對(duì)本文設(shè)計(jì)的樣機(jī)轉(zhuǎn)矩與徑向力進(jìn)行具體的計(jì)算。

根據(jù)無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù),采用ANSYS有限元分析軟件建立分析模型。具體參數(shù):定子采用兩套三相對(duì)稱繞組,轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)為,徑向懸浮力繞組極對(duì)數(shù)為,定子鐵心外徑155mm,定子鐵心內(nèi)徑98 mm,轉(zhuǎn)子外徑88mm,氣隙寬2mm,定子槽數(shù)36,軸長(zhǎng)105mm,永磁體厚度3mm,轉(zhuǎn)矩繞組每槽匝數(shù)26,徑向懸浮力繞組每槽匝數(shù)15,采用稀土錢鐵硼永磁材料,永磁體的剩余磁感強(qiáng)度,矯頑力。定子槽分成內(nèi)層和外層兩部分,分別嵌入徑向力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組。從元軸承電機(jī)基礎(chǔ)理論得知:兩套繞組極對(duì)數(shù)滿足,就會(huì)產(chǎn)生徑向懸浮力。根據(jù)有限元分析的結(jié)果已經(jīng)直觀地驗(yàn)證理論是正確性。

    圖10 是徑向力與徑向力繞組電流之間的關(guān)系

從中可以看出,徑向力與徑向力繞組電流成正比,單位安培徑向力繞組電流可以產(chǎn)生約32 N 的徑向力。固10 徑向力與徑向力繞組電流之間關(guān)系圖11 對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)短與轉(zhuǎn)矩繞組電流之間的關(guān)系,兩者成正比,單位安培轉(zhuǎn)矩繞組電流能夠產(chǎn)生1. 26N·m 的轉(zhuǎn)矩。如圖12 所示,當(dāng)轉(zhuǎn)矩繞組通過(guò)額定電流為5A 時(shí),產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為6.3 N· m ,改變徑向力繞組電流可以看出,此時(shí)轉(zhuǎn)短不隨著徑向力繞組電流變化而變化。

    4 結(jié)語(yǔ)

采用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)元軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行二維靜態(tài)電磁場(chǎng)分析,所介紹的步驟簡(jiǎn)潔明了,直觀地驗(yàn)證了元軸承電動(dòng)機(jī)懸浮原理,計(jì)算了電動(dòng)機(jī)的徑向力與轉(zhuǎn)短,保證所設(shè)計(jì)的電機(jī)能夠滿足要求。

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