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电机电磁场的仿真分析

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-07-23 22:11 点击数:

  电机电磁场的仿真分析 ANSYS软件应用 软件应用 电机电磁场的仿真分析 电机内的电磁场 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 一个应用实例 电机内的电磁场 电机内的电磁场从它的分布区域及其作用来看, 电机内的电磁场从它的分布区域及其作用来看,大致可 分为:( :(1 气隙磁场;( ;(2 分为:(1)气隙磁场;(2)凸极同步电机磁极间的漏磁场 或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场;( ;(3 槽内漏磁场; 或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场;(3)槽内漏磁场; 绕组端部电磁场;( ;(5 铁心中的磁场;( ;(6 (4)绕组端部电磁场;(5)铁心中的磁场;(6)实心转 子中的电磁场等。按照是否随时间变化, 子中的电磁场等。按照是否随时间变化,电机内的电磁场可 分为: 恒定磁场;( ;(2 时变电磁场。 分为:(1)恒定磁场;(2)时变电磁场。 同步电机的主极磁场、极间漏磁场等属于恒定磁场。 同步电机的主极磁场、极间漏磁场等属于恒定磁场。交 流电机定子槽内导体的涡流损耗、 流电机定子槽内导体的涡流损耗、实心转子感应电机内的电 磁场问题等均属于时变电磁场问题。由于电机中的交变电磁 磁场问题等均属于时变电磁场问题。由于电机中的交变电磁 场频率很低,因此位移电流可以忽略不计, 场频率很低,因此位移电流可以忽略不计,属于似稳电磁场 的范畴。 的范畴。 电机电磁场的理论基础 电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。 电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。 麦克斯韦方程组出发进行分析 名称 全电流定律 电磁感应定律 高斯定律 磁通连续性定律 积分形式 微分形式 ?D ds ∫l s s ?t ?Φ ?B E dl = ? = ?∫ ds ∫l s ?t ?t H dl = ∫ J ds + ∫ ?D ?× H = J + ?t ?B ?× E = ? ?t ? D = ρv ∫ s D ds = ∫ ρv dv v ∫ s B ds = 0 ? B=0 电机电磁场的理论基础 电机中的电磁力: 电机中的电磁力: 电机中切向电磁力所形成的电磁力矩和电枢绕组中的感应电动 是实现机电能量转换的两个基本要素。电机中电磁力分两类: 势,是实现机电能量转换的两个基本要素。电机中电磁力分两类: 载流导体在磁场内所受到的力。对于长度为的长直载流导线, 载流导体在磁场内所受到的力。对于长度为的长直载流导线, 其力为: 其力为: F = ∫ idl × B l 铁磁介质在磁场中受到的力。如果媒质中有传导电流, 铁磁介质在磁场中受到的力。如果媒质中有传导电流,相应的 (2) 边密度是 f (1) ,而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是 f ,则总 的力密度是 ?r ? 1 2 (1) (2) f = f +f = J ×B+ 2? ?B 在电机中计算磁场力时, 忽略掉。 在电机中计算磁场力时,通常可以把 f (2) 忽略掉。 电机电磁场的理论基础 结构方程: 结构方程: 表示场量之间关系的结构方程有: 表示场量之间关系的结构方程有: D = ε E, J = σ E, B = ?H 它表明了电磁性能关系, 它表明了电磁性能关系, ε , σ , ? 分别为电容 电导率和磁导率。对于线性媒质, 率、电导率和磁导率。对于线性媒质,它们是常 对于非线性媒质,它们随场强的变化而变化。 数;对于非线性媒质,它们随场强的变化而变化。 电机电磁场的理论基础 边界条件: 边界条件: 电机电磁场问题中,边界条件一般有一类、 电机电磁场问题中,边界条件一般有一类、二类及周期 性边界条件,混合的三类边界条件很少遇到。 性边界条件,混合的三类边界条件很少遇到。 第一类边界条件: 求解时, 第一类边界条件:用标量位 Φ 求解时,边界上 Φ 为已知 值,即 Φ Γ = C 这时, 为已知。 这时,边界上磁场强度的切向分量 H t 为已知。当用矢量 求解时,边界上为已知值, 磁位 A 求解时,边界上为已知值,即 A Γ = C 这时,边界上磁通密度的法向分量为已知。 这时,边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线 常可选择一条磁力线作为边界。 即等 A 线,常可选择一条磁力线作为边界。恒定场中还可令 其为参考位(某一常数值或零)。在似稳交变场中, )。在似稳交变场中 其为参考位(某一常数值或零)。在似稳交变场中,往往在 给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。 给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。 电机电磁场的理论基础 第二类边界条件: 第二类边界条件:即边界上的求解量法向导数 ?Φ 已知。 已知。用 Φ 求解时 =C ?n Γ 已知。 即磁场强度法向分量 H 已知。用 ?A =C ?n Γ n A 求解时, 求解时,则 周期性边界条件: 周期性边界条件:由于电机旋转磁场呈周期性 分布,在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。 分布,在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。 电机电磁场的理论基础 交界条件:电机常常由多层介质组成,两介质交界 交界条件:电机常常由多层介质组成, 面应满足下列条件: 面应满足下列条件: 电场强度切向分量相等, 电场强度切向分量相等,即 E1t = E2t ; 电流密度法向分量相等, 电流密度法向分量相等,即 J1n = J 2 n ; 交界面上无面电流层时,磁场强度的切向分量相等, 交界面上无面电流层时,磁场强度的切向分量相等, H1t ;如果有面电流存在,则根据全电流定律, = H 2t 如果有面电流存在,则根据全电流定律, 即 H1t ? H 2t = J 可得 ; 磁通密度的法向分量相等, 磁通密度的法向分量相等,即 B1n = B2 n ; 矢量磁位的切线分量连续, 矢量磁位的切线分量连续,即交界上满足 A1t = A2t 。 电机电磁场的理论基础 非线性问题: 非线性问题: 研究电磁场问题时, 研究电磁场问题时,媒质的电磁性能参数 ε , σ , ? 可能跟着场强变化而变化。 可能跟着场强变化而变化。 在磁场中,铁磁物质的磁化特性呈非线性关系, 在磁场中,铁磁物质的磁化特性呈非线性关系, ? 是磁场强度或磁通密度的函数。 磁导率 是磁场强度或磁通密度的函数。 在研究涡流问题时, 在研究涡流问题时,导电媒质的电导率 σ 是随 的值变化而变化, 呈现非线性, 着 E , J 的值变化而变化,使 J = σ E 呈现非线性,此 时都应分别满足准涡流方程。 时都应分别满足准涡流方程。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组 ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组 导出,计算的主要未知量(自由度) 磁势或磁通量, 导出,计算的主要未知量(自由度)是磁势或磁通量, 其它磁场量则由这些自由度得来。 其它磁场量则由这些自由度得来。 ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达 ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达 方式,包括各向同性或各向异性的线性磁导率, 方式,包括各向同性或各向异性的线性磁导率,材料的 曲线和永磁体的退磁曲线。 B-H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显 示磁力线、磁通密度和磁场强度,并可以进行力、力矩、 示磁力线、磁通密度和磁场强度,并可以进行力、力矩、 源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。 源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS程序的电场分析功能可用于研究电场三个方 ANSYS程序的电场分析功能可用于研究电场三个方 面的问题:电流传导、静电分析和电路分析。 面的问题:电流传导、静电分析和电路分析。感兴趣 的典型物理量包括电流密度、电场强度、电势颁、 的典型物理量包括电流密度、电场强度、电势颁、电 通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、 电容、 通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电 流以及电势降等。 流以及电势降等。 ANSYS程序进行电磁场分析的另一优点是耦合场分 ANSYS程序进行电磁场分析的另一优点是耦合场分 析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、 析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、 流体及热单元上。 流体及热单元上。此外在对电路耦合器件的电磁场分 析时,电路可被直接耦合到导体或电源, 析时,电路可被直接耦合到导体或电源,同时也计及 运动的影响。 运动的影响。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS程序中磁场分析的类型: ANSYS程序中磁场分析的类型: 程序中磁场分析的类型 静态磁场分析: 2-D(3-D)静态磁场分析:分析直流电或永磁体所产 生的磁场。 生的磁场。 谐波磁场分析: 2-D(3-D)谐波磁场分析:分析低频交流电流或交流 电压所产生的磁场。 电压所产生的磁场。 瞬态磁场分析: 2-D(3-D)瞬态磁场分析:分析随时间任意变化的电 流或外场所产生的磁场。 流或外场所产生的磁场。 电机内的磁场问题(例如气隙磁场、槽内磁场等) 电机内的磁场问题(例如气隙磁场、槽内磁场等) 大多可以简化成二维的情况, 大多可以简化成二维的情况,但是对于绕组端部电磁场 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 电磁场的源:电流、外加磁场、 电磁场的源:电流、外加磁场、永磁体 在电磁场分析中要计算的量:磁通密度、磁场强度、 在电磁场分析中要计算的量:磁通密度、磁场强度、磁力及 磁矩、阻抗、电感、 磁矩、阻抗、电感、能量损耗等 电磁场单元:PLANE13、PLANE53、CIRCU124、SOLID96、 电磁场单元:PLANE13、PLANE53、CIRCU124、SOLID96、 SOLID97、PLANE121、INFIN9等 SOLID97、PLANE121、INFIN9等。 电磁场分析的步骤: 电磁场分析的步骤: – – – – – 创建物理环境; 创建物理环境; 建立模型,划分网格,赋予特性; 建立模型,划分网格,赋予特性; 加边界条件和载荷; 加边界条件和载荷; 求解; 求解; 后处理(查看计算结果)。 后处理(查看计算结果)。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS软件提供了两种工作模式, ANSYS软件提供了两种工作模式,即人机交互 软件提供了两种工作模式 方式(GUI方式 和命令流输入方式(BATCH方 方式) 方式(GUI方式)和命令流输入方式(BATCH方 式)。 APDL是ANSYS参数化设计的语言, APDL是ANSYS参数化设计的语言,它是一门可 参数化设计的语言 用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化 变量方式建立分析模型的脚本语言, 变量方式建立分析模型的脚本语言,用建立智能 化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过 程。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 创建物理环境: 创建物理环境: /TITLE:定义分析标题 : /UNIT:定义单位制 : ET或KEYOPT:说明单元类型及其选项 或 : LOCAL:定义单元坐标系 : MP:定义线性材料特性 : MPREAD:对导磁材料导入 :对导磁材料导入B-H曲线 曲线 R:定义实常数。可用来定义绞线圈的几何形状、 :定义实常数。可用来定义绞线圈的几何形状、 绕组特性以及描述速度效应等。 绕组特性以及描述速度效应等。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 建立模型过程中要注意的问题: 建立模型过程中要注意的问题: 注意单位; 注意单位; 建模过程中删除了面后, 建模过程中删除了面后,确保相应地删除了组成 该面的线和关键点; 该面的线和关键点; 一定要在定义完材料特性,实常数、 一定要在定义完材料特性,实常数、单元类型和 单元坐标系后才能划分网格; 单元坐标系后才能划分网格; 充分利用对称性,这样只需对一部分设备建模。 充分利用对称性,这样只需对一部分设备建模。 对称性分为磁力线平行, 对称性分为磁力线平行,磁力线垂直和周期性对 称。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 加边界条件和载荷:既可以给实体模型(关键点、 加边界条件和载荷:既可以给实体模型(关键点、线、面) 也可以给有限元模型(节点和单元)加边界条件和载荷。 也可以给有限元模型(节点和单元)加边界条件和载荷。 边界条件 磁力线垂直 磁力线平行 远场 周期性 外加磁场 AZ值 AZ值 不需要(自然发生) 不需要(自然发生) 说明AZ=0, 说明AZ=0,用D命令或GUI路径操作 AZ=0 命令或GUI路径操作 GUI 用远场单元INFIN9和 用远场单元INFIN9和INFIN110 INFIN9 PERBC2D宏在节点上创建奇对称可偶对称周期性边 用PERBC2D宏在节点上创建奇对称可偶对称周期性边 界条件,或用GUI GUI路径操作 界条件,或用GUI路径操作 AZ等于一非零值 或用GUI 等于一非零值, GUI路径操作 令AZ等于一非零值,或用GUI路径操作 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 加载荷: 加载荷: 对于谐性场, 对于谐性场,谐波载荷假定任何外加载荷都是随时间 呈谐波(正弦)变化的,这样的载荷要说明幅值、 呈谐波(正弦)变化的,这样的载荷要说明幅值、相位角 和工作频率。幅值即为所加载荷的最大值; 和工作频率。幅值即为所加载荷的最大值;相位角即为载 荷落后于参考的时间, 荷落后于参考的时间,只有存在着多个彼此不同相的载荷 时才需用到相位角。工作频率就是交流电的频率。 时才需用到相位角。工作频率就是交流电的频率。 给块状导体加电流, 给块状导体加电流,是加给带有强加电流的块导体区 域的节点电流载荷,代表通过导体的总的电流值。 域的节点电流载荷,代表通过导体的总的电流值。在2-D分 分 析中,这种载荷要求PLANE13和PLANE53单元的自由度 析中,这种载荷要求 和 单元的自由度 为AZ和VOLT。要想给涡流效应的横截面上加均匀电流, 和 。要想给涡流效应的横截面上加均匀电流, 必须耦合横截面上的VOLT自由度。 自由度。 必须耦合横截面上的 自由度 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 求解: 求解: /SOLU:进入求解器; /SOLU:进入求解器; /ANTYPE:说明分析类型; /ANTYPE:说明分析类型; 对于非线性分析,采用二步求解程序: 对于非线性分析,采用二步求解程序: – 在前面3到5子载荷步内让载荷斜坡变化,每一子步只 在前面3 子载荷步内让载荷斜坡变化, 有一个平衡迭代。 有一个平衡迭代。 – 计算最后解一个子步,有5到10次平衡迭代。 计算最后解一个子步, 10次平衡迭代 次平衡迭代。 非线性求解收敛性图形跟踪: 非线性求解收敛性图形跟踪:当进行非线性电磁分 析时,可使用/GST命令打开图形求解跟踪, /GST命令打开图形求解跟踪 析时,可使用/GST命令打开图形求解跟踪,以了解 求解收敛情况。 求解收敛情况。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 注意:求解时, 注意:求解时,源电流的频率应加转差频率 实际运行时,转子在旋转, 实际运行时,转子在旋转,定、转子电流的频 率互不相同,它们的磁场难于进行统一的计算。 率互不相同,它们的磁场难于进行统一的计算。另 由于定、转子之间具有相对运行, 外,由于定、转子之间具有相对运行,亦较难进行 网格剖分。为此可将实际的旋转状态转化为等效的 网格剖分。 静止状态。 静止状态。 对转子而言,转子静止、 对转子而言,转子静止、定子上施加一组转差 频率的三相正序电流,与转子以转差速度旋转、 频率的三相正序电流,与转子以转差速度旋转、定 子上施加一组基频三相正序电流,两者是等效的。 子上施加一组基频三相正序电流,两者是等效的。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 后处理: 后处理: ?磁力线D 磁力线: 磁力线 ?等值线:PLNSOL,PLESOL 等值线: 等值线 , ?矢量显示:PLVECT,PRVECT 查看一些矢量(如B,H) 矢量显示: 查看一些矢量( 矢量显示 , , ) 的大小和方向。 的大小和方向。 ?列表显示:PRESOL,PRNSOL,PRSOL 列表显示: 列表显示 , , ?沿路径显示:PATH,PPATH,PDEF,PRPATH 沿路径显示: 沿路径显示 , , , ?线圈电阻及电感:可以计算载压或载流绞线型线圈的电阻 线圈电阻及电感: 线圈电阻及电感 及电感。每个单元中都有线圈的电阻及电感值, 及电感。每个单元中都有线圈的电阻及电感值,求和即可 得到导体建模区的总电阻及电感。 得到导体建模区的总电阻及电感。 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 利用宏命令计算其它我们感兴趣的项: 宏命令计算其它我们感兴趣的项 利用宏命令计算其它我们感兴趣的项: CURR2D:计算导体中的电流 : EMAGERR:计算静电场或静磁场分析中的相对误差 : FLUXV:计算通过闭合回路的磁通量 : FMAGSUM:计算作用到单元组元上的合力 : FOR2D:计算作用到导体上的磁力 : MMF:计算沿某指定路径的电动势降 : PLF2D:生成等势线 : SENERGY:计算模型中的磁场贮能和共能 : srcS:计算绞线型线圈的端参数 : TORQ2D:计算磁场作用到导体上的扭矩 :


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