搜索ANSYS在電機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
在無軸承永磁同步電動機(jī)設(shè)計中,應(yīng)用AIVSYS軟件進(jìn)行輔助設(shè)計、分析。設(shè)計結(jié)果直觀、準(zhǔn)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(jī) 永磁同步電動機(jī) 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(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。兩套繞組的磁場通過氣隙相互作用產(chǎn)生徑向力,該力作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子上實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮控制,從而形成了無軸承電機(jī)。無軸承永磁同步電動機(jī)與無軸承異步電動機(jī)和無軸承同步磁阻電動機(jī)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(jī)的補(bǔ)償相角滯后的復(fù)雜控制回路來說,無軸承永磁電動機(jī)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(jī)得到了實際應(yīng)用,其他類型的無軸承電動機(jī)尚處于實驗室研究階段。
無軸承永磁同步電動機(jī)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(fù)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(jìn)行電機(jī)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(jī)分析模型,進(jìn)行求解,通過后處理可以直觀地看出無軸承電動機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)懸浮原理,計算了本文設(shè)計的無軸承永磁同步電動機(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(jìn)行分析,根據(jù)電機(jī)的實際尺寸,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)域定義其相對磁導(dǎo)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(dǎo)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(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。
點擊Solution>Electrniagnet>Static Analysis,進(jìn)行自動求解,接著進(jìn)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(jī)懸浮原理驗證
由文獻(xiàn)可知,無軸承永磁同步電動機(jī)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(jī)內(nèi)部復(fù)雜的磁場進(jìn)行分析研究,驗證無軸承電動機(jī)運行原理。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(jī)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(jī)內(nèi)部的磁場就發(fā)生變化,與文獻(xiàn)提到的無軸承電機(jī)原理相同,根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生原理可以得知:此時電機(jī)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(jī)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(yīng)的B點處磁場得到增強(qiáng),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。
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(dāng)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。可見要實現(xiàn)電動機(jī)的無軸承化,定子中的兩套繞組缺一不可。
通過以上分析可知,當(dāng)兩套繞組同時通過電流時,無軸承電機(jī)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(jī)的運行原理進(jìn)行驗證之后,下面就對本文設(shè)計的樣機(jī)轉(zhuǎn)矩與徑向力進(jìn)行具體的計算。
根據(jù)無軸承永磁同步電動機(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(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。
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(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。
4 結(jié)語
采用有限元分析軟件ANSYS 對元軸承永磁同步電動機(jī)進(jìn)行二維靜態(tài)電磁場分析,所介紹的步驟簡潔明了,直觀地驗證了元軸承電動機(jī)懸浮原理,計算了電動機(jī)的徑向力與轉(zhuǎn)短,保證所設(shè)計的電機(jī)能夠滿足要求。
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