ANSYS在电机设计中的应用

2013-06-10  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

在无轴承永磁同步电动机设计中,应用AIVSYS软件进行辅助设计、分析。设计结果直观、准确,能够节约永磁材料和缩短设计周期。

作者: 张涛    来源: 万方数据
关键字: 无轴承电动机 永磁同步电动机 ANSYS 电磁分析 

磁轴承具有无接触、不需润滑的优点,已在现代高速机械设备中得以应用。但由于磁轴承成本高,本身又占有一定的轴向空间,限制了高速电动机的微型化,也限制了其临界转速和输出功率的进一步提高。

利用磁轴承和电机结构的相似性,在电动机定子槽中嵌入两套绕组,转矩绕组与径向力绕组,转矩绕组产生转矩,径向力绕组产生径向力。两套绕组的磁场通过气隙相互作用产生径向力,该力作用于电机转子上实现转子的悬浮控制,从而形成了无轴承电机。无轴承永磁同步电动机与无轴承异步电动机和无轴承同步磁阻电动机相比具有一些优点①永磁体的存在,代替了定子励磁绕组作为励磁源,就不再需要激磁电流(ANSYS在电机设计中的应用+培训课程图片1=0)②相对于无轴承异步电动机的补偿相角滞后的复杂控制回路来说,无轴承永磁电动机的控制回路相对简单;③功率因数和效率较高。而实际L,目前也只有无轴承永磁同步电动机得到了实际应用,其他类型的无轴承电动机尚处于实验室研究阶段。

无轴承永磁同步电动机的内部磁场由永磁体磁场、转矩绕组通电产生的磁场和径向力绕组通电产生的磁场三者相互叠加而成的。内部磁场关系非常复杂。由于气隙磁饱和的影响,同时径向力与径向力绕组电流呈非线性关系,所以清楚地掌握内部磁场关系是进行电机设计和调试运行的关键。

ANSYS是通用的有一限元分析软件,在ANSYS中建立电动机分析模型,进行求解,通过后处理可以直观地看出无轴承电动机悬浮原理、内部磁力线分布、磁密分布和计算其径向力、转矩,并且精度较高。同时固定气隙存在一个最优的永磁体厚度,所产生的径向力最大。

本文采用ANSYS 7. 0软件对无轴承永磁同步电动机进行二维电磁场静态分析,简要介绍了分析步骤,阐述了电动机悬浮原理,计算了本文设计的无轴承永磁同步电动机产生的径向力和转矩。

    1.1建立几何模型

进入Main menu > Preferences,选择与电磁分析相关的选项来过滤可视化图形用户界面,只显示与电磁分析有关的内容。本文采用简单、方便的用户图形界面方式来进行分析,根据电机的实际尺寸,建立二维模型如图1所示。

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    图1 二维有限元模型

    1.2定义材料属性和设置单元类型

    (I)定、转子铁磁材料定义其B-H曲线。

    (2)绕组和气隙区域定义其相对磁导率为1

    (3)采用小块永磁体拼装成4个磁极,定义每块小磁体的相对磁导率为1和每个小块永磁体的矫顽力。

    所有区域采用PLANE53单元。

    根据区域的不同,将定义的材料和单元类型分配给对应的区域。

    1.3网格剖分

采用三角形网格,利用MESHTOOL中的智能网格剖分工具进行剖分,精度为6,剖分结果如图2所示,形成有限元分析模型,进入加载、求解阶段。

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    图2网格剖分图
2加载、求解阶段

在本文分析中,给绕组区域施加载荷为电流密度ANSYS在电机设计中的应用+培训课程图片4,N为每槽绕组匝数;I为每匝绕组中的电流;S为绕组区域面积。边界取外边界条件,也就是让磁力线平行与电机外圆周。

点击Solution>Electrniagnet>Static Analysis,进行自动求解,接着进入后处理分析阶段。

    3后处理及分析

    3.1无轴承永磁同步电动机悬浮原理验证

由文献可知,无轴承永磁同步电动机的气隙磁场主要是永磁体产生的磁场。根据上面给出的二维有限元模型,首先对无轴承电动机内部复杂的磁场进行分析研究,验证无轴承电动机运行原理。当转矩绕组加上三相电流,而径向力绕组不通电,可以看出此时磁场呈四极分布。然后转矩绕组不通电,而径向力绕组加上三相电流,此时电机内部磁场呈6极分布,如图3所示。将两套绕组同时通电,则电机内部的磁场就发生变化,与文献提到的无轴承电机原理相同,根据麦克斯韦力产生原理可以得知:此时电机中确实产生了径向力,如图4所示。从上面的分析可以看出:径向力绕组气隙磁场打破了四极电机转矩气隙磁场的平衡,使得在A点处的磁场减弱,而在对应的B点处磁场得到增强,根据电磁场的基本理论得知,此时确实产生了由A指向B的径向力。从内部磁场矢量图5~图7中更为直观地看出内部磁场由于相互叠加而产生径向力的原理。

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    图3磁力线分布图

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图8a给出了只有转矩绕组通电转子受力示意图,可以看出此时的合力为零;图8b是只有径向力绕组通电时转子受力示意图,此时转子所受合力也为零;但是当两套绕组同时通电时,这时转子受力如图9所示,可以看出此时的合力沿着x轴正方向。可见要实现电动机的无轴承化,定子中的两套绕组缺一不可。

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通过以上分析可知,当两套绕组同时通过电流时,无轴承电机中确实产生了能够使转子悬浮的径向力。

    3. 2 转矩与径向力的计算

对无轴承永磁电动机的运行原理进行验证之后,下面就对本文设计的样机转矩与径向力进行具体的计算。

根据无轴承永磁同步电动机参数,采用ANSYS有限元分析软件建立分析模型。具体参数:定子采用两套三相对称绕组,转矩绕组极对数为ANSYS在电机设计中的应用机械设计培训图片10,径向悬浮力绕组极对数为ANSYS在电机设计中的应用机械设计培训图片11,定子铁心外径155mm,定子铁心内径98 mm,转子外径88mm,气隙宽2mm,定子槽数36,轴长105mm,永磁体厚度3mm,转矩绕组每槽匝数26,径向悬浮力绕组每槽匝数15,采用稀土钱铁硼永磁材料,永磁体的剩余磁感强度ANSYS在电机设计中的应用机械设计培训图片12,矫顽力ANSYS在电机设计中的应用机械设计培训图片13。定子槽分成内层和外层两部分,分别嵌入径向力绕组和转矩绕组。从元轴承电机基础理论得知:两套绕组极对数满足ANSYS在电机设计中的应用机械设计培训图片14,就会产生径向悬浮力。根据有限元分析的结果已经直观地验证理论是正确性。

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    图10 是径向力与径向力绕组电流之间的关系

从中可以看出,径向力与径向力绕组电流成正比,单位安培径向力绕组电流可以产生约32 N 的径向力。固10 径向力与径向力绕组电流之间关系图11 对应的是转短与转矩绕组电流之间的关系,两者成正比,单位安培转矩绕组电流能够产生1. 26N·m 的转矩。如图12 所示,当转矩绕组通过额定电流为5A 时,产生的转矩为6.3 N· m ,改变径向力绕组电流可以看出,此时转短不随着径向力绕组电流变化而变化。

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    4 结语

采用有限元分析软件ANSYS 对元轴承永磁同步电动机进行二维静态电磁场分析,所介绍的步骤简洁明了,直观地验证了元轴承电动机悬浮原理,计算了电动机的径向力与转短,保证所设计的电机能够满足要求。


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