ANSYS在電機設(shè)計中的應用

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在無軸承永磁同步電動機設(shè)計中,應用AIVSYS軟件進行輔助設(shè)計、分析。設(shè)計結(jié)果直觀、準確,能夠節(jié)約永磁材料和縮短設(shè)計周期。

作者: 張濤來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 無軸承電動機永磁同步電動機 ANSYS 電磁分析

磁軸承具有無接觸、不需潤滑的優(yōu)點,已在現(xiàn)代高速機械設(shè)備中得以應用。但由于磁軸承成本高,本身又占有一定的軸向空間,限制了高速電動機的微型化,也限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率的進一步提高。

利用磁軸承和電機結(jié)構(gòu)的相似性,在電動機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。兩套繞組的磁場通過氣隙相互作用產(chǎn)生徑向力,該力作用于電機轉(zhuǎn)子上實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮控制,從而形成了無軸承電機。無軸承永磁同步電動機與無軸承異步電動機和無軸承同步磁阻電動機相比具有一些優(yōu)點①永磁體的存在,代替了定子勵磁繞組作為勵磁源,就不再需要激磁電流(=0)②相對于無軸承異步電動機的補償相角滯后的復雜控制回路來說,無軸承永磁電動機的控制回路相對簡單;③功率因數(shù)和效率較高。而實際L,目前也只有無軸承永磁同步電動機得到了實際應用,其他類型的無軸承電動機尚處于實驗室研究階段。

無軸承永磁同步電動機的內(nèi)部磁場由永磁體磁場、轉(zhuǎn)矩繞組通電產(chǎn)生的磁場和徑向力繞組通電產(chǎn)生的磁場三者相互疊加而成的。內(nèi)部磁場關(guān)系非常復雜。由于氣隙磁飽和的影響,同時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)部磁場關(guān)系是進行電機設(shè)計和調(diào)試運行的關(guān)鍵。

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

本文采用ANSYS 7. 0軟件對無軸承永磁同步電動機進行二維電磁場靜態(tài)分析,簡要介紹了分析步驟,闡述了電動機懸浮原理,計算了本文設(shè)計的無軸承永磁同步電動機產(chǎn)生的徑向力和轉(zhuǎn)矩。

1.1建立幾何模型

進入Main menu > Preferences,選擇與電磁分析相關(guān)的選項來過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。本文采用簡單、方便的用戶圖形界面方式來進行分析,根據(jù)電機的實際尺寸,建立二維模型如圖1所示。

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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)域定義其相對磁導率為1

(3)采用小塊永磁體拼裝成4個磁極,定義每塊小磁體的相對磁導率為1和每個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應的區(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,進入加載、求解階段。

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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外圓周。

點擊Solution>Electrniagnet>Static Analysis,進行自動求解,接著進入后處理分析階段。

3后處理及分析

3.1無軸承永磁同步電動機懸浮原理驗證

由文獻可知,無軸承永磁同步電動機的氣隙磁場主要是永磁體產(chǎn)生的磁場。根據(jù)上面給出的二維有限元模型,首先對無軸承電動機內(nèi)部復雜的磁場進行分析研究,驗證無軸承電動機運行原理。當轉(zhuǎn)矩繞組加上三相電流,而徑向力繞組不通電,可以看出此時磁場呈四極分布。然后轉(zhuǎn)矩繞組不通電,而徑向力繞組加上三相電流,此時電機內(nèi)部磁場呈6極分布,如圖3所示。將兩套繞組同時通電,則電機內(nèi)部的磁場就發(fā)生變化,與文獻提到的無軸承電機原理相同,根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生原理可以得知:此時電機中確實產(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打破了四極電機轉(zhuǎn)矩氣隙磁場的平衡,使得在A點處的磁場減弱,而在對應的B點處磁場得到增強,根據(jù)電磁場的基本理論得知,此時確實產(chǎn)生了由A指向B的徑向力。從內(nèi)部磁場矢量圖5~圖7中更為直觀地看出內(nèi)部磁場由于相互疊加而產(chǎn)生徑向力的原理。

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圖3磁力線分布圖

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圖8a給出了只有轉(zhuǎn)矩繞組通電轉(zhuǎn)子受力示意圖,可以看出此時的合力為零;圖8b是只有徑向力繞組通電時轉(zhuǎn)子受力示意圖,此時轉(zhuǎn)子所受合力也為零;但是當兩套繞組同時通電時,這時轉(zhuǎn)子受力如圖9所示,可以看出此時的合力沿著x軸正方向?？梢娨獙崿F(xiàn)電動機的無軸承化,定子中的兩套繞組缺一不可。

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通過以上分析可知,當兩套繞組同時通過電流時,無軸承電機中確實產(chǎn)生了能夠使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向力。

3. 2 轉(zhuǎn)矩與徑向力的計算

對無軸承永磁電動機的運行原理進行驗證之后,下面就對本文設(shè)計的樣機轉(zhuǎn)矩與徑向力進行具體的計算。

根據(jù)無軸承永磁同步電動機參數(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稱繞組,轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)為,徑向懸浮力繞組極對數(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。從元軸承電機基礎(chǔ)理論得知:兩套繞組極對數(shù)滿足,就會產(chǎn)生徑向懸浮力。根據(jù)有限元分析的結(jié)果已經(jīng)直觀地驗證理論是正確性。

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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 對應的是轉(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,當轉(zhuǎn)矩繞組通過額定電流為5A 時,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,此時轉(zhuǎn)短不隨著徑向力繞組電流變化而變化。

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