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1、某某某項目研討會,演講人：*,一 、永 磁 電 機 電 磁 計 算,大型電機和特種電機的設計技術都有了巨大的進步，電機各項參數(shù)計算的精度要求越來越高，設計研發(fā)的周期越來越短，傳統(tǒng)的分析計算不能很好的滿足上述要求。 有限元法作為一種電機電磁場數(shù)值解法臻于完善，其應用也越來越廣泛。作為一種近似的數(shù)值計算方法，有限元法的計算精度很大程度上取決于網(wǎng)格剖分的疏密程度。對于一臺電機若采用三維模型計算，其計算量很大，不利于調試。 實踐證明如果忽略電機端部的影響，采用二維的磁場分析也能滿足設計的精度要求。利用電機結構的周期性，選用充分、合理的電機計算區(qū)域作為有限元模型，可以對電機模型進一步的簡化。,1.基本的
2、思想和分析原則,應用ANSYS 有限元軟件，對大型永磁電機的電磁場進行分析和計算。這里只研究平行平面場即二維電磁場問題，因而只有一個自由度即矢量磁勢Az。電機的對稱周期取一對磁極范圍。考慮漏磁的影響，把轉軸和機座作為模型的內(nèi)外邊界。 電磁場的經(jīng)典理論是麥克斯韋方程組，此處不再累述。這里引入矢量磁勢Az 的重要意義在于對平行平面場，兩點間矢量磁勢的差值就是兩點間沿z 軸單位長度上的磁通。 要注意二維電磁場分析計算得到的基本結果數(shù)據(jù)都是Az 值，通過對Az 值進行處理可以方便的求出電機各處的磁密和磁場強度，磁通、反電勢和電磁轉矩等。,有限元分析的基本思路如圖 所示,定義單元類型，材料屬性 電機的基
3、本尺寸的參數(shù)化 轉子建模（含氣隙） 定子建模（含氣隙） 徑向拼接模型 處理模型的邊界條件 施加載荷 求解 后處理,2.分析過程,定義硅鋼片材料特性時要注意，有些大型電機使用各向異性的冷軋硅鋼片，這里需考慮材料的正交各向異性。對定子齒部，認為磁密的方向偏離軋制方向為0 度；對定子軛部，磁密的方向偏離軋制方向為90 度；對轉子鐵芯來說，偏離軋制方向為0度，導磁率按靜磁場選擇（f0）。,2.1 定義電機材料特性 2.1.1 定義硅鋼片的材料屬性與磁化曲線,輸入BH 曲線要注意：,a) B 值與H 值要一一對應，并且單調連續(xù)，BH曲線缺省通過原點，（0，0）點不輸入。 b) ANSYS 程序根據(jù)BH
4、曲線自動計算vB 曲線（v 為磁阻率），它應該也是單調連續(xù)的。因此如果vB 曲線不單調要重新修正BH 曲線上的數(shù)據(jù)點。 c) BH 曲線應覆蓋材料的全部工作范圍，提供足夠多的數(shù)據(jù)點以完整描述該材料特性。有時要剔除那些數(shù)值較大的點，再觀察曲線的單調性。,2.1.2永磁體的材料特性,需要說明的是永磁體的退磁曲線是指剩磁密度Br 與矯頑力Hcb 的曲線，以下簡稱BH 曲線。退磁曲線通常在第二象限，但ANSYS 程序中需按第一象限輸入。此外還需要知道永磁體的工作溫度，即電機內(nèi)部溫度分布，Br 的可逆溫度系數(shù)，Hcb 的可逆溫度系數(shù)。,2.2 參數(shù)化建模,參數(shù)化建模具有很多優(yōu)點，各個變量物理意義明確，便
5、于查找和修改。而且可以通過對話框快速對電機尺寸參數(shù)進行調整，縮短調試程序和優(yōu)化設計的時間。這里采用ANSYS 內(nèi)部的對話框進行交互，可以方便其他設計人員對程序的調試，提高程序的通用性，也可以調整電機的氣隙長度，定子內(nèi)徑和定子鐵芯長等電機重要尺寸參數(shù)；可以輸入用于保存磁通量和電磁轉矩結果文件的文件名。,2.3有限元模型的建立和邊界條件,定、轉子應分別建模，這樣兩部分模型不會相互干擾。定、轉子之間的氣隙，可定義兩層或更多層，再經(jīng)過徑向拼接得到整個求解區(qū)域。分網(wǎng)時應注意疏密結合，氣隙部分網(wǎng)格要足夠稠密，而且沿徑向應均勻分網(wǎng)。其它部分網(wǎng)格可稀疏些。模型盡量使用四邊形網(wǎng)格，并保證節(jié)點連續(xù)。 (氣隙部分一
6、定密一些）,這里只研究電機轉速恒定情況，用有限元法進行電機的電磁場分析，要模擬電機定、轉子之間的相對運動。這里使用運動邊界法，即假設定子模型靜止不動，讓轉子部分旋轉，和真實情況一樣。具體如下：氣隙模型中有一條定、轉子網(wǎng)格重合的公共運動邊界，分別為定、轉子的運動邊界上的節(jié)點編號，并且保證相鄰節(jié)點徑向間距相等，這樣能保證轉子旋轉后運動邊界上的節(jié)點重合，壓縮重合的關鍵點（KP）、節(jié)點（node），保持網(wǎng)格的連續(xù)性。如圖。,2.4 后處理,2.4.1 反電勢的計算 首先使用ANSYS 的APDL 語言在工作路徑中創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件寫入每個線圈的Az 值，然后關閉文件。循環(huán)計算中每次打開數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)以追加方
7、式順序寫入。最后使用公式可計算出單根導體反電勢，再根據(jù)一相下所有導體的串并聯(lián)關系得到一相繞組的反電勢。,2.4.2 電機的計算轉矩,在后處理中還可以通過ANSYS 內(nèi)部的torq2d或torqc2d 磁宏命令計算電機的計算轉矩，先用path命令在氣隙中定義一條圓弧路徑（要注意圓弧路徑經(jīng)過周期對稱后應該是閉合的），再調用torq2d 宏命令。 注意此時的結果是電機一個周期下沿軸向單位長度的計算轉矩，此結果乘以轉子鐵芯長，再乘以計算區(qū)域的周期數(shù)才是電機的計算電磁轉矩。,2.4.3 損耗的計算,在后處理中取出電機有限元模型中定子硅鋼片部分的每個單元的面積和該單元對應的切向磁密和徑向磁密值。 由該單元
8、的各磁密值分別從對應的硅鋼片的單位損耗曲線上插值得到單位鐵損。每個單元的面積乘以對應的單位鐵損再對所有定子硅鋼片部分單元求和，所得值與定子鐵芯長、疊壓系數(shù)、硅鋼片密度和極對數(shù)的乘積即為定子鐵損。,2.4.4 氣隙磁密波形和磁力線,電機在進行能量轉換時，無論是從機械能變成電能，或是從電能變成機械能，能量都是以電磁能的形式通過定、轉子之間的氣隙進行傳遞的，氣磁密是電機電磁場計算中重要的物理量。氣隙磁密波形和計算區(qū)域內(nèi)磁力線分布如圖 所示。,3 結論 ANSYS 有限元軟件為電機的仿真和電機參數(shù)的計算提供了非常好的數(shù)值計算方法，相信隨著對有限元認識的加深，我們可以更加深入、細致、精確的對電機進行分析
9、和計算，大大加快電機設計、生產(chǎn)的研發(fā)周期。,二、永磁同步發(fā)電機電樞反應 去磁效應的分析,1引言 隨著釹鐵硼永磁材料的問世，它的高剩磁密度，高矯頑力，高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異性能特別適合用作永磁電機的磁鋼材料。但是如果電機設計或使用不當，永磁電機在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應作用下，或者過高（釹鐵硼永磁）過低（鐵氧體永磁）溫度時，可能造成永磁體的不可逆退磁，使電機性能降低甚至無法使用。,永磁同步發(fā)電機在正常工作時，電樞磁場的軸線和永磁體的軸線一般不重合（我方采用的發(fā)電機為外轉子旋轉磁極式），通常磁鋼磁場的軸線位置超前電樞磁場的軸線位置，對永磁體產(chǎn)生吸合或者排斥作用相對較弱；但是，在電樞繞組發(fā)生最嚴
10、重的短路時，電樞磁場的軸線位置可能和永磁體的軸線位置對齊，并且極性相同，會對永磁體產(chǎn)生最嚴重的去磁效應，這些情況，應該在電機的設計中予以充分地考慮。,永磁同步風力發(fā)電機是不需要勵磁繞組和直流勵磁電源的無刷電機，無勵磁繞組的銅損耗，比同容量的電勵磁式的發(fā)電機效率高，結構簡單，運行可靠。增大了氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值，可以縮小電機體積，減輕質量，提高功率質量比。目前，永磁同步發(fā)電機在風力發(fā)電、航空航天和大型汽輪發(fā)電機的勵磁機等方面得到了大量應用，單機容量已經(jīng)達到50006000KW。,目前，永磁體的價格相對還比較昂貴；風力發(fā)電機的安裝位置又比較高，處于野外，安裝維護比較不便，更需要保證發(fā)
11、電機的安全運行，一旦發(fā)生永磁體的不可逆退磁，則更換永磁體的工作量很大（一般永磁體是由粘接膠粘接在鋼件上，發(fā)電機的半徑又比較大，維修吊裝很不便）。 基于以上原因，必須保證永磁體在正常運行和突然發(fā)生短路時，永磁體都不會發(fā)生不可逆退磁。,2電樞反應磁場的計算,目前電磁場的計算方法有兩種： 一、場化路的方法，將實際空間存在的不均勻分布的磁場轉化成等效的多段磁路，并近似認為在每段磁路中磁通沿截面和長度均勻分布，將磁場的計算轉化為磁路的計算，然后用各種系數(shù)修正，使各段磁路的磁位差等于磁場中對應點之間的磁位差； 二、電磁場數(shù)值計算中的有限元法。有限元法是當今數(shù)值計算領域應用最為廣泛、最為成熟的一種計算方法,
12、其最大的優(yōu)點是通用性強、精度高，可以進行專門問題的計算如永磁電機的失磁、永磁電機的磁極結構與尺寸的優(yōu)化等。我方的電機為外轉子旋轉磁極式，結構復雜，材料用量大，更需精確計算，因而采用有限元方法計算。,ANSYS軟件是目前世界范圍內(nèi)增長最快的CAE軟件，也是最先通過ISO9001質量認證的分析設計類軟件。ANSYS可用來分析電磁領域多方面的問題。 其基本原理是將所處理的對象首先劃分成有限個單元(包含若干節(jié)點), 然后根據(jù)矢量磁勢或標量電勢求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點處的磁勢和電勢,繼而進一步求解出其他相關量。 ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式,包括各向同性和正交各向異性
13、線性磁導率,材料的曲線和永磁體的退磁曲線。后處理允許用戶顯示磁力線、磁通密度并進行力、力矩、端電壓和其他參數(shù)的計算。,3 ANSYS的有限元分析,ANSYS分析過程包含3個步驟：(1)創(chuàng)建有限元模型。包括：創(chuàng)建或讀入有限元模型；定義材料屬性；劃分網(wǎng)格(節(jié)點和單元)。(2)施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項,然后求解。(3)查看結果。查看分析結果,然后檢驗結果。,4.1建立物理模型,由于電機空載運行磁場對稱分布,取電機的局部建模, 一方面可減少其工作量和解題規(guī)模,另一方面也不失代表性。電機物理模型如圖所示。,4. 2基本假設,(1)采用二維場模擬實際磁場；選取國際單位制；直角坐標系。 (2) 忽
14、略電機的各種絕緣材料；對定子槽口、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)不計交變磁場在導電材料中如定子繞組、鐵心沖片及機座中的渦流反應,因此同步電機的磁場可作為非線性恒定磁場來處理。,4.3電樞產(chǎn)生磁場,電機的實際磁場為交變的（大小和空間位置都在改變）?？紤]最為不利的因素（電機繞組的出線端發(fā)生短路或其他故障時，電機突然短路時電流可以達到額定值的20倍），電樞繞組形成的去磁磁場位置和極性與永磁體相同，方向相反，對永磁體會形成強烈的去磁效應。 三相繞組中的電流的初相位設為00，則三相電流瞬時的大小為：,取t=0時刻進行分析，總有一相繞組的電流達到最大，圖中A相電流達到最
15、大，末端流入，首端流出，其余兩相電流幅值為A相的一半，相位與A相相反，則電樞繞組的磁場位置處于電流最大相繞組的軸線位置，即與中間最大塊的永磁體的位置相同，極性也相同，會產(chǎn)生強烈的去磁效應。,4.4有限元方法,由于區(qū)域內(nèi)存在電流,須用矢量磁位AZ求解,考慮到鐵心中的飽和效應,則AZ滿足非線性的準泊松方程。在轉子內(nèi)圓和定子外圓圓弧線DE、FG上,磁場滿足AZ=0,即滿足第一類齊次邊界條件：在DF和EG線上滿足|DF=-|EG,即滿足周期性邊界條件。所以磁場的準泊松方程邊值問題為 電流密度；磁阻率。,4.5 ANSYS求解,由于僅進行平面分析,故采用ANSYS的PLANE53電磁單元,氣隙部分最為重
16、要,也是關注的地方,因此在網(wǎng)格剖分時,在氣隙中間取了一條曲線,模型的單元劃分數(shù)目盡量細致。對電機內(nèi)部的各種材料進行定義。根據(jù)前面的分析后對模型施加邊界條件并進行求解。ANSYS求解可以得出電機的磁力線分布圖,如圖所示。,圖3 為磁鋼單獨作用時，一個磁極下氣隙中磁密的分布，為一平頂波，其幅值為2.523，圖4為電樞繞組發(fā)生短路時，電樞繞組單獨形成的磁場氣隙中磁密的分布，為一接近的正弦形，圖5為磁鋼和繞組共同作用時形成的磁場氣隙中磁密的分布，幅值為2.469。 由圖可以看出，電機的磁鋼受到繞組的去磁作用，磁場的幅值有所減弱，但是磁鋼覆蓋的大部分區(qū)域磁密依然能夠保持一定的數(shù)值，減小程度很小，所以不會
17、被完全去磁，磁路某些部位會變得較為飽和；結合永磁體在600C的內(nèi)稟退磁曲線，電機在反向磁場強度為1110A/m時，才可能去磁，而電樞磁場的磁場強度遠小于這個值，從而可以保證電機的磁鋼不會被去磁，可以穩(wěn)定運行。,圖3永久磁鋼形成的氣隙磁密分布,圖4電樞短路形成的氣隙磁密 分布,圖5磁鋼和電樞短路共同 形成的氣隙磁密分布,5 結論,永磁電機的去磁反應是影響其正常工作的重要因素，使用ANSYS軟件，可以精確計算出電機氣隙磁密的大?。ㄈ绻枰梢灾廊我獠课坏拇琶艿拇笮。?，較以前場化路的方法更加直接何精確，從而可以對去磁效應進行定量的計算，以確定電機的最終工作點，并且同電機的退磁曲線比較，以確保電機的
18、工作點在退磁曲線的拐點以上，從而可以保證電機的安全運行。,三、利用求解 POWERFORMER 發(fā)電機的空載特性,摘要:設計了一種全新的發(fā)電機,它無需升壓變壓器直接連接到電網(wǎng)。為了產(chǎn)生高壓電,定子為多層同心式繞組,定子槽很深且與傳統(tǒng)發(fā)電機不同,氣隙磁密、定轉子外徑也比傳統(tǒng)發(fā)電機大。本文著重敘述用軟件求解該電機的空載特性。 關鍵詞氣隙磁場有限元,1引言在傳統(tǒng)發(fā)電機中,大型旋轉電機定子線棒由外包介電強度高的環(huán)氧為主絕緣的長方形截面導體組成。為減少渦流損耗,避免產(chǎn)生電暈,各股線必須彼此絕緣,并沿線棒和繞組端部進行復雜地形狀換位。 傳統(tǒng)設計使發(fā)電機的額定電壓很難超過3035。 是一種全新的發(fā)電機,定子
19、繞組為高壓交聯(lián)聚乙烯()電纜,它的截面為圓形。從麥克斯韋方程可知,圓形導體產(chǎn)生的電場均勻分布,這是高壓旋轉電機所必須的條件。由于它無需升壓變壓器就可以直接連接到電網(wǎng),省略了升壓變壓器,電廠的效率比常規(guī)電廠高出0 5%1 0%。,2的有限元分析分析過程包含3個步驟:(1)創(chuàng)建有限元模型。包括: 創(chuàng)建或讀入有限元模型; 定義材料屬性; 劃分網(wǎng)格(節(jié)點和單元)。 (2)施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項,然后求解。 (3)查看結果。查看分析結果,然后檢驗結果(分析是否正確)。,3空載特性的計算,3 .1物理模型 由于電機空載運行磁場對稱分布,我們僅取了電機的四分之一,這一方面可減少其工作量和解題規(guī)模
20、,另一方面也不失其代表性。電機物理模型如圖所示。,3. 2基本假設,(1)采用二維場模擬實際磁場;選取國際單位制;直角坐標系。 (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)不計交變磁場在導電材料中如定子繞組、鐵心沖片及機座中的渦流反應,因此同步電機的磁場可作為非線性恒定磁場來處理。,3. 3有限元方法,由于區(qū)域內(nèi)存在電流,須用矢量磁位求解,考慮到鐵心中的飽和效應,則滿足非線性的準泊松方程。在轉子內(nèi)圓和定子外圓圓弧線、上,磁場滿足=0,即滿足第一類齊次邊界條件:在和線上滿足|=-|,即滿足半周期性邊界條件。所以磁場的準泊松方程邊值問題為:,3. 4求解
21、,根據(jù)的分析步驟,對建立二維有限元模型。由于我們僅進行平面分析,故采用的53電磁單元,氣隙部分最為重要,也是我們關注的地方,因此在網(wǎng)格剖分時,在氣隙中間取了一條曲線,模型的單元劃分數(shù)目約為25000個左右。然后對電機內(nèi)部的各種材料進行定義。根據(jù)前面的分析后對模型施加邊界條件并進行求解。求解可以得出的磁力線分布圖,如圖所示。,同時,也可以得到的氣隙磁密圖即為沿著氣隙中心線所得到的氣隙磁密的波形圖。,由此得出后,便可求取空載特性。根據(jù)磁密,于是可求得磁通和感應電勢1,即 =(2/)1=4 4411 式中,極距,頻率,定子鐵心有效長度,定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù),1繞組系數(shù)。 在勵磁繞組內(nèi)賦以不同的勵磁電流,通過求解非線性飽和場得出各點的磁密,并求出不同的感應電勢1(0空載電壓),于是便得到的空載特性0=()。,設額定空載勵磁電流0=14 91,分別計算了=2,6,8,10,12,13,14,14 91,15 5,16,20,25,50,70,100等十五組數(shù)據(jù),并利用可得到空載特性曲線,見圖。,4結論,是一種功能強大的有限元軟件,可以靈活、方便的對問題進行分析、計算。運用它求解得出的空載特性,能較好地逼近實測的空載特性。,
ANSYS分析實例C
