（电机与电器专业论文）谐波励磁同步发电机谐波绕组电压分析.pdf

a b s t r a c t t h i r dh a r m o n i ce x c i t a t i 0 1 3h a sa l r e a d yb e c o m eac o m m o ne x c i t e dm e a n s f o rs y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra tp r e s e n t y e t b e c a u s et h em a g n e tf i e l do f t r i p l eh a r m o n i c si sg r e a t l ya f f e c t e db ys a t u r a t i o no fm a g n e t i ec i r c u i t a i rg a p a l v e o l u sa n dp o l es h a p e w ea r el a c ko fa c c u r a t em e t h o dt oa n a l y z e a n dc a c u a t et r i p l eh a r m o n i c se x c i t a t i o na tp r e s e n t a n dc a nn o tm a s t e r n o l o a da n dl o a dp r o p e r t yo fh a r m o n i ce x c i t a t i o ns y s t e m t h u s a c c o r d i n g t of i n i t ee l e m e n tt h e o r y al o to fe l e c t r o m a g n e tf i e l dc a l c u l a t i o na r e m a d ef o rn o l o a da n dl o a d s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb y t h i r dh a r m o n i c e x c i t a t i o nt h r o u g ha n s y si nt h i sa r t i c l e a n dt h ev a l u ea n dw a v e f o r mo f w i n d i n gv o l t a g e a r ec a l c u l a t e d b y t o o t hf l u xm e t h o d a n dan e w m e t h o d n a m e dt h r e e s e g m e n tm e t h o d i sp r e s e n tt oa n a l y s i sh a r m o n i c w i n d i n gn o l c a dp r o p e r t yc u r v ef o rs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb yt h i r d h a r m o n jce x c i t a t i o n a c c o r d i n gt of i n i t ee 1 e m e n tt h e o r y i nt h isa r t i c l e g u lw a y sa n d p r o g r a mw a y so fa n s y ss o f t w a r ea r ei n t r o d u c e df o rt h ee l e c t r o m a g n e tf ie l d c a l c u l a t i o no ft h ee l e c t r i cm a c h i n e a n dh a l f p e r i o db o u n d a r yc o n d i t i o n i ss t u d i e df o rt h ee l e c t r o m a g n e tf i e l de a l c u l a t i o n b a s e do na n s y sc o m m a n d w a y s n o i o a da n dl o a de l e c t r o m a g n e tf i e l dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ei s d e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h i ss o f t w a r e al o to fe l e c t r o m a g n e tf i e l d c a l c u l a t i o na r em a d ef o rn o l o a da n dl o a ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb yt h i r d h a r m o n i ce x c i t a t i o n t w oc a l c u l a t i o nm e t h o d n a m e df f tm e t h o da n dt o o t h f l u xm e t h o d a r ed e s c r i b ef o re m fo fw i n d i n ga n dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d is a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d t h ef i r s th a r m o n i cw i n d i n ga n dh a r m o n i c w i n d i n gn o l o a dp r o p e r t yc u r v ea r eg a i n e dw h e nf i e l dc u r r e n ti sc h a n g e f o rm a s t e r i n go n l o a dp r o p e r t yo ft h et h i r dh a r m o n i ce x c i t a t i o n s y s t e m t h u s an e wm e t h o dt oa n a l y z eh a r m o n i cw i n d i n gn o l o a dp r o p e r t y c u r v eo fh a r m o n i ce x c i t a t i o n s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r n a m e da s t h r e e s e g m e n tm e t h o d i sp r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e t h ee f f e c to fp o l e a r c c o e f f i c i e n t a i r g a p d a m p e rw i n d i n ga n dm a g n e tc i r c u i ts a t u r a to nf o r n o l o a dp r o p e r t yo fh a r m o n i cw i n d i n gb yi t s o i nt h i sa r t i c l e w eb r i n g f o r w a r dan e wi d e aa n dm e t h o dt oa n a l y z en o 一1 c a dp r o p e r t yo fh a r m o n i c w i n d i n go f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb yt h i r dh a r m o n i ce x e i t a ti o n i nt h ee n d t h ew a v e f o r ma n dv a l u eo fe l e e t r i c a lp o t e n t i a lo fw i n d i n g a n da r m a t u r er e a c t i o np r o p e r t yc u r v ea r eg a i n e dt h r o u g he l e c t r o m a g n e t f i e i dc a l c u l a t i o n a n dc o m p a r ei tw i t ht h ec a l c u a t i o nr e s u l t t h e ya r e i d e n t i c a li nt h er o u g h t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l eb r i n g sf o r w a r dan e w o p i n i o nf o ra n a l y z i n gt h et h i r dh a r m o n i ce x c i t a t i o ns y s t e ma n dp r o v i d e s t r o n gt h e o r yb a s ea n ds t r o n gr a t i o n a la n dp r a c t i c a ld e s i g ns c h e m e sf o r t h ed e s i g na n dt h er e s e a r c ho fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o ro ft h i r dh a r m o n i c e x c i t a t i o n w r i t t e nb y y o n g h o n gx i a e l e c t r i cm a c h i n ed e p a r t m e n t d i r e c t e db y s h a o g a n gh u a n g p r o k e y w o r d s t h i r dh a r m o n i c s y n c h r o n o u sg e n e r a t e r a n s y s t o o t hf l u xm e t h o d t h r e e s e g m e n tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得壹墨叁鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 砾砂气 签字日期 耐年多月厂 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和 借阅 本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可蚍采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 勇 谈 导师签名 童曰勿 1 签字日期 舢订年j 月 曰 签字日期 厶 d 年多月 石日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 第一章绪论 l 1 选题背景及其意义 按照所采用的整流装置 励磁系统可分为两大类 一类是直流发电机励磁系 统 另一类是交流整流励磁系统 自同步发电机问世以来 一直采用直流励磁机 励磁 但当容量增大时 由于换向困难已不宜采用直流励磁机 这时改为交流励 磁机再经半导体整流后供给主发电机转子绕组励磁 近年来随着半导体器件特别 是硅整流器和可控硅整流器件的日益发展 中小型同步发电机广泛采用了自动 恒压半导体励磁系统 这些励磁方式使得同步发电机组的结构复杂 成本高 从 7 0 年代起 国内就对三次谐波开始了研究 并很快将其加以应用 目前 三次 谐波励磁已成为同步发电机 种常用的励磁方式 谐波励磁同步发电机是一种新 型的采用谐波励磁方式的发电机 这种电机和普通同步发电机基本相似 其原理 是在它的定子铁心槽里多加了一套谐波绕组 当磁极被原动机带动旋转时 利用 气隙内的谐波磁场 在定子的谐波绕组中感应出交流电 经整流后可得到直流电 源 如直接供给发电机励磁则形成三次谐波励磁的有刷同步发电机 如供给交流 励磁机励磁 则交流励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器整流后供给主机励磁 绕组 从而形成三次谐波励磁的无刷同步发电机 由于这种电机具有运行可靠 维修量少 反应速度快 效率较高等优点 适合在农村 山区等地方使用 这种 励磁方式 具有线路简单以及很好的相复励特性和强励能力 不仅省去了励磁机 等附加的励磁装置 而且具有一定程度的自动稳定电压的可贵特性 励磁系统对于同步发电机是非常重要的 它不仅直接影响到同步发电机的稳 态和动态性能 而且影响到同步发电机的电磁兼容性 可靠性及其成本 采用谐 波进行励磁 很好的利用了电机中的谐波 省去了基波相复励所需的变压器和电 抗器等外部器件 且谐波绕组可以做到与电机主绕组没有直接的耦合 这样 与 基波相复励系统相比 不仅可以降低励磁系统的成本 而且可以提高其电磁兼容 性 同步发电机运行时 谐波和励磁均随着电机的负载变化而变化 因此 利用 谐波进行励磁值得研究的是谐波与励磁的匹配 其含义有三 第一 在保证同步 发电机波形畸变率指标的条件下 谐波输出功率是否能提供足够的励磁输入功 率 第二 在不用自动励磁调节器的条件下 使谐波励磁系统输出的励磁电流具 有良好的相复励特性 以保证同步发电机的稳态调压率 第三 在不用自动励磁 调节器的条件下 使谐波励磁系统输出的励磁电流能对同步发电机的负载突变作 出迅速反应 以保证同步发电机的瞬态调压率和恢复时间 在上述三条中 第一 条是对谐波用于励磁的基本要求 第二和第三条是研究谐波输出对所需励磁输入 的跟踪性能 使得谐波励磁系统自身具有良好的相复励性能 动态性能和强励能 力 自动励磁调节器只是作为提高同步发电机稳态调压率的微调 事实上 在一 些需要高可靠性的场合 比如冷藏车的发电设备 已经对三次谐波发电机提出了 这种要求 尤其是在现代战争中 作为电子战和信息战的军用移动电站 必需具 有很高的抗干扰能力和可靠性 然而 研究谐波励磁同步发电机的谐波与励磁在 各种状态下的准确匹配最重要的是要准确计算谐波励磁同步发电机的谐波绕组 电压 因此 研究三次谐波励磁同步发电机空载和负载时谐波绕组电压就更具有 十分重要的意义 l 2 国内外研究现状和存在的问题 采用谐波进行励磁u h 引 很好的利用了电机中的谐波 省去了基波相复励所 需的变压器和电抗器等外部器件 且谐波绕组可以做到与电机主绕组没有直接的 耦合 这样 与基波相复励系统相比 不仅可以降低励磁系统的成本 而且可以 提高其电磁兼容性 然而采用谐波进行励磁最主要的是对谐波励磁同步发电机的 谐波磁场进行准确的计算 从7 0 年代起 国内就对三次谐波开始了研究 并很 快将其加以应用 目前 三次谐波励磁已成为同步发电机一种常用的励磁方式 作为国内的知名电机生产厂家 清华泰豪科技股份有限公司在国内率先采用三次 谐波励磁方式 很好地将谐波励磁技术运用到企业的产品设计和生产中去 收到 了良好的经济效益 这种励磁方式线路简单 并具有很好的相复励特性和强励能 力 但是 由于三次谐波磁场受磁路饱和 气隙 齿槽和磁极形状的影响很大 目前的设计方法缺乏对三次谐波励磁的准确的分析计算 所以无法把握三次谐波 励磁系统空载和负载性能 而是在试制中通过改变谐波绕组和磁极形状等方法加 以解决 这种状况无疑增加了新产品的周期和费用 而对于要求三次谐波励磁发 电机在无自动励磁调节器的情况下具有良好的稳态调压率 则研制是十分困难 的 需要进彳亍多次的反复试制 从已发表的文献来看 对三次谐波励磁发电机的 谐波磁场仍缺乏深入的研究和准确的定量分析 主要是对三次谐波励磁发电机进 行定性分析和给出一些简化计算公式及经验公式 l 1 以往 大部分研究人员 在分析交流电机时 一般都把电机理想化 只考虑空间基波磁场 阻尼绕组用一 个直轴阻尼绕组和一个交轴阻尼绕组代替 郎所谓理想电机模型 解决实际问题 时经常用到d q 0 坐标系统 这种方法在不考虑空间谐波时是行之有效的 但当考虑绕组产生的空间谐波磁场时d q 0 坐标系统失去了作用 这时用多 回路理论来分析就比较方便 其主要原理是将电机看作由多个相互运动的回路组 成的电路 按一般的电路原理列出定子和转子各个回路电压方程和磁链方程 当 研究电机励磁电流含有谐波时 可以将相绕组作为一个回路 励磁绕组作为一个 回路 对阻尼绕组则分成几个d 轴和q 轴回路 但多回路理论无法考虑磁路饱和 的影响 总之 传统的电机数学模型和设计方法一般仅考虑基波 谐波和磁路饱 和被忽略 或者在考虑谐波的同时忽略磁路饱和的影响 或者在考虑磁路饱和的 同时忽略谐波的影响 文献 4 提出的交流电机等效谐波绕组模型是在假定任 意阶次空间谐波磁势只产生同阶次的空间谐波磁场的条件下得出的 没有考虑谐 波磁导和饱和的影响 神经网络通过非线性输入输出来学习系统的特征 可以实 现高精度的识别和函数近似 已经在电机设计 电力系统和许多其它场合得到了 应用 8 1 0 1 文献虽然是利用神经网络对电机饱和时的参数进行研究 但 是没有进行饱和对电机内部谐波磁场影响的研究 文献 1 9 1 1 2 0 1 1 2 3 考虑 了绕组产生的空间谐波磁场的影响 没有考虑磁路饱和的影响 忽略磁滞和涡流 等因素的影响 文献 2 1 采用电磁场理论分析了电机中的谐波 但其结论不便 于在工程实际中应用 文献1 2 2 对感应电机谐波作了较深入的分析 但其结论 不适用于凸极同步电机 交流电机的多回路理论考虑了电机中谐波磁场的作用 是电机分析强有力的手段 已在很多实际场合中得到了利用和验证 随着计算机 技术的发展 利用有限元方法进行电机动态过程的分析成为可能 将多回路法与 有限元结合来建立电机数学模型的方法得到了应用和验证 5 一 7 模型中直 接考虑了由于磁路结构 磁路饱和 绕组布置以及定转予齿槽和气隙影响产生的 空间谐波磁场的作用 然而 利用多回路法与有限元法相结合进行计算 存在方 程阶数高和求解时间长的缺点 难以直接应用于具体指导谐波励磁电机的设计 文献 1 6 对谐波励磁发电机气隙磁场进行了有限元分析 只求出了气隙磁密在 某一时刻的空间分布曲线 然而 在不同的时刻气隙磁密波形是不相同的 文献 8 通过在励磁绕组通固定大小的电流 求解一次磁场方程得到气隙磁场 对 其进行分解算出各次谐波磁密的大小来求定子绕组的谐波电势 实际上在考虑定 子和阻尼齿槽影响的条件下 空载时阻尼绕组中的电流并不为零而且励磁电流也 不是恒定不变的 文献1 2 4 1 提出的三相倍极三次谐波感应励磁同步发电机实现 了无刷 无励磁机 但所需要的三次谐波功率较普通三次谐波功率大 感应励磁 系统效率很低 因此要深入的研究三次谐波励磁同步发电机空载和负载时的谐波磁场 不仅 要准确地计算电机的内部磁场 而且要根据磁场的计算结果进行大量的数据处理 和分析工作 主要包括 l 分析谐波磁密和谐波绕组的感应电势的大小随励磁 电流变化的情况 求出谐波磁密和电势空载磁化曲线 2 分析同步发电机气隙 齿槽和定转子冲片形状对谐波绕组电势的磁化曲线和波形的影响 3 分析谐波 磁密和谐波绕组的感应电势的大小随负载电流变化的情况 求出谐波磁通和电势 的电枢反应特性 4 分析同步发电机气隙 齿槽和定转子冲片形状对谐波电枢 反应特性的影响 5 在电磁场分析的基础上 计算出谐波励磁发电机的谐波电 势和绕组参数与电机励磁电流和负载电流之间的非线性关系 分析和对比电机设 计参数 绕组 气隙 槽形 定转子冲片形状等 对这些非线性的影响 6 建 立谐波励磁发电机的非线性数学模型 通过建立的数学模型 计算各种谐波励磁 系统及同步电机稳态运行时的电压和电流 7 分析和对比电机和谐波励磁系统 的非线性参数和特性对电机的稳态调压率 波形畸变率 效率和材料利用率的影 响 8 根据计算和实验结果进行归纳综合 得到谐波与励磁匹配的参数和变量 的计算曲线 表格和拟合公式 形成谐波励磁发电机的谐波与励磁匹配的理论和 准确的设计方法 可以看出 要进一步准确掌握三次谐波励磁系统 需要对谐波 励磁发电机的谐波磁场进行大量的研究工作 其研究结果将为三次谐波励磁发电 机的设计提供坚实的理论基础 电势波形取决于发电机的气隙磁场 而磁场又受到磁极形状 定 转子槽形 磁路非线性等因素影响 使得磁场计算十分复杂 长期以来 不少学者提出了各 种各样的计算模型 归纳起来可分为二类 数值法或解析法 解析法的特点是只 能求解线性的 具有简单边界条件的磁场 用以求解电机磁场时一般须做出与实 际条件相差甚远的假设 其解之精度也就可想而知了 数值法则相反 能够精确 计算任意复杂的边界条件和非线性的问题 电磁场数值解法是将所求电磁场的区 域剖分成有限多的网络或单元 通过边界条件的处理 建立以网格或单元上各节 点的求解函数值为未知量的代数方程组 通过电子计算机解出这组庞大的代数方 程组 从而得到各节点的函数值 有限元法是当今数值计算领域应用最为广泛 最为成熟的一种数值计算方法 其最大的优点是通用性强 精度高 目前有限元 法已被广泛的用来分析和计算电磁场问题文献 2 5 1 3 1 但有限元法的 前 后 处理异常复杂 需要花费大量的时间 为此 又有研究人员开发了许多商用 有限元软件来分析电机电磁场问题 3 2 3 8 所有的这些商用有限元软件均 在 前后处理 方面做到尽可能的完善 从而使其立于不败之地 但存在很大的 局限性 有的只能分析某一类型的电机 有的操作不方便 计算速度慢 并且这 些商用有限元软件都是基于 一砖一瓦 式的自己编制完整的有限元程序 这 样虽然可以对有限元的基础理论达到较深入的理解 但开发者也付出了大量的 精力来重复前人已经完成的工作 显然 这是对研究成果的极大浪费 鉴于此 应该充分利用已有的有限元软件来快速分析自己感兴趣的 对象 据介绍 目 前全球最著名的有限元软件共有1 2 项 其中美国独占7 项 欧洲国家分享5 项 据有关机构测评 在这1 2 个有限元软件中 ansys 各项指标均名列前 茅 a n s y s 软件是一种大型的通用有限元计算软件 以其具有良好的用户界面 便捷的二次开发能力以及同其它画图软件的接口转换的容易性在近年来得到广 泛的应用 从已发表的文献来看 ansys 软件已广泛的用来分析和计算电机 的电磁场问题 3 9 1 4 3 但这些文献有一个共同的缺点 他们都是采用a n s y s 软件提供的图形用户界面方式进行分析的 每次操作都需要人工进行干预 人的 工作量大 并且不具有通用性 本文采用a n s y s 有限元软件命令流方式作为工具来对三次谐波励磁同步发 电机进行大量的计算与分析 将大大加快研究的进程 其研究结果将为三次谐波 励磁发电机提供坚实的理论基础和有力的设计手段 l 3 本论文的主要内容 从前面论述中 我们可以看出 三次谐波励磁同步发电机空载和负载时的谐 波磁场的计算是十分复杂的 需要投入大量的时间和资金 本论文将主要研究三 次谐波励磁发电机的空载特性和负载特性 其内容包括 l a n s y s 有限元软件在电机电磁场计算分析中的应用 利用a n s y s 软件 的图形用户界面方式和命令流方式对电机进行建模 加载 求解及后处理 2 开发了基于a n s y s 的命令流方式的空载和负载电磁场计算软件 并对 a n s y s 软件中应用半周期性边界条件进行求解进行了研究 3 根据样机的实际尺寸 在改变励磁电流大小以及改变电机定转子相对位 置的情况下 应用半周期性边界条件对电机空载和负载时的电磁场进行了大量的 计算 4 通过对电磁场的计算结果进行后处理 得到了同步电机空载和负载时的 气隙磁密波形 分析了直接对气隙磁密波形进行傅立叶分解来计算电机绕组感应 电势产生误差的原因 5 论述了同步电机齿磁通的计算方法 应用该方法计算了空载和负载时的 基波绕组和三次谐波绕组的电势大小和波形 6 计算出不同励磁电流下的基波绕组和三次谐波绕组电压的波形和大小 绘制出电机基波绕组电压空载特性曲线和三次谐波绕组电压的空载特性曲线以 及基波绕组电压电枢反应特性曲线和三次谐波绕组电压电枢反应特性曲线 并与 该样机的实验结果进行对比分析 7 论述了分析电机谐波空载特性曲线的三段法 8 根据三段法 分析了极弧系数 气隙形状 阻尼绕组的分布以及和磁路 饱和对谐波励磁同步发电机谐波空载特性曲线的影响 第二章 2 1 概述 a n s y s 软件在同步电机电磁场分 析中的算法研究 电磁场数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网络或单元 通过 边界条件的处理 建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方 程组 通过电子计算机解出这组庞大的代数方程组 从而得到各节点的函数值 有限元法是当今数值计算领域应用最为广泛 最为成熟的一种数值计算方法 其最大的优点是通用性强 精度高 目前有限元法已被广泛的用来分析和计算 电磁场问题 a n s y s 软件是一种大型的通用有限元计算软件 以其具有良好的用户界 面 便捷的二次开发能力以及同其它画图软件的接口转换的容易性在近年来得 到广泛的应用 a n s y s 软件是一个功能强大的灵活的设计分析及优化 融结构 热 流体 电磁 声学于一体的大型通用有限元分析软件 可广泛应用于核工 业 铁道 石油化工 航空航天 机械制造 能源 汽车交通 国防军工 电 子 土木工程 生物医学 轻工等一般工业及科学研究 该软件提供了一个不 断改进的功能清单 具体包括 结构高度非线性分析 电磁分析 计算流体动 力分析 设计优化 自适应网格划分 大应变 有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言 a p d l 的扩展宏命令功能 而且a n s y s 软件可与许多先进c a d 软件共享数据 利用a n s y s 软件的数据接口 可精确的将在c a d 系统下生成 的几何数据传入到a n s y s 如p r o e n g i n e e r n a s t r a n 和a u t o c a d 等 并通 过必要的修补可准确的在该模型上划分网格并求解 这样可以节省用户在创建 模型过程中所花费的大量时间 极大的提高工作效率 在产品设计中 用户可 以使用a n s y s 有限元软件对产品性能进行仿真分析 发现产品问题 降低设计 成本 缩短设计周期 提高设计的成功率 a n s y s 软件有以下特点 1 用户使用方便 涉及面广 易学易用 2 高效方便的绘图功能 3 灵活多样的剖分网格形状 疏密程度 4 多种可选 择的迭代求解器 5 强大的后处理功能 a n s y s 有限元分析软件提供了图形用户界面与命令流两神方式来分析电机 电磁场问题 本章对这两种分析方式都进行了详细的介绍 图形用户界面方式易 于操作 且界面友好 但修改起来比较麻烦 并且每次操作都需要人工进行干预 人的工作量较大 效率低 与图形用户界面方式相比 采用a n s y s 软件命令流 方式具有以下优点 1 通用性好 对于同一系列 同一型号的电机由于只是尺 寸参数不同 结构相同 所以要把该软件应用于同系列 同型号的其它电机电磁 场计算只需修改软件中参数即可 软件中创建实体的命令流部分完全相同 而采 用a n s y s 的图形用户界面方式进行电机电磁场计算 每次计算都要重新输入图 形 计算中人的工作量大且没有通用性 2 实现转子自动旋转和自动旃加励磁 电流的功能 与a n s y s 的图形用户界面方式相比 减少了入机交互的次数 缩 短了计算时间 3 后处理更为方便 应用a n s y s 命令p a t h p p a t h p d e f 可 以很方便地定义所需数据的路径 用 g e t 命令取出所需数据以及用 r w r i t e 命令 把数据写入文件中 同步发电机电磁场计算的最后结果以文件的形式保存起来 大大减少了后处理程序编写的复杂性 而使用a n s y s 的图形用户界面方式无法实 现这些功能 电磁场的计算是十分复杂的 为了减小计算量提高计算的速度 本文对利用 a n s y s 软件如何采取半周期性边界条件进行电磁场计算进行了研究 开发出了基 于a n s y s 软件的a p d l 语言的空载和负载电磁场计算分析软件 应用a n s y s 软件对电机电磁场进行计算时作如下基本假设 a 采用二维场模拟实际磁场 选取m k s 国际单位制 直角坐标系 b 对定子槽口 定子扇形片的园角及磁极冲片部分园角 倒角等细微之处 作近似处理 c 忽略装配误差 d 不计交变磁场在导电材料中如定子绕组 铁心冲片及机座中的涡流反应 因此同步发电机的磁场可作为非线性稳定磁场来处理 e 铁心里的磁导率是各相同性的 2 2 a n s r s 软件图形用户界面方式研究 本节首先介绍了a n s y s 软件在电机电磁场计算中的基本操作 然后介绍了 a n s y s 软件图形用户界面操作方式在电机电磁场分析计算中的整个过程 应用 a n s y s 软件来分析计算电机电磁场问题包括以下四个步骤 1 创建电机有限元分析模型 2 定义和分配材料 网格剖分 3 施加边界条件和载荷 并求解 4 查看并保存计算结果 2 2 1 a n s y s 软件的基本操作 建立几何模型所有的操作都是在菜单m o d e l i n g 中完成的 进入该菜单的路 径为 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 在m o d e l i n g 菜单中 c r e a t e 子菜单是创建各种点 线 面 体的 o p e r a t e 子菜单是对各种图元 点 线 面 体 进行各种各样的操作 如加 减等操作 m o v e m o d i f y 子菜单则 是对图元进行移动 修改用的 c o p y 子菜单是对前面所建立的图元进行复制 r e f l e c t 是对所建立的图元进行反射或者说是折叠 予菜单c h e c kg e o m 是用以 检查 校对所建几何模型的正确与否 子菜单d e l e t e 是对检查出来的几何模型 错误部分进行删除 1 创建关键点 图形用户界面操作方式为 m a i n m e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 c r e a t e 一 k e y p o i n t 一 l i l a c t i v ec s 在弹出的对话框中输入关键点的 编号以及坐标 如图2 1 所示 2 创建直线 图形用户界面操作方式为 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 c r e a t e 一 l i n e s 一 l i n e s 一 s t r a i g h tl i n e 但是有一点应值得注意 在创建直线之前必须先创建关键点 假如在当前坐标系中已经创建了两个关键 点 只需用鼠标左键选种这两个关键点 就可以创建一条直线 3 刨建面 图形用户界面操作方式为 m a i n m e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 c r e a t e 一 a r e a s 我们可以根据需要创建任意形状面 矩形面 圆面 正多边形面等 比如要创建一个扇形面 具体操作如下 图形用户界面操作方式 为 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 c r e a t e 一 a r e a s 一 c i r c l e 一 p a r t i a la n n u l u s 系统将弹出一个对话框 要求输入圆心坐标 内外半径 起始角度和终止角度 然后点击o k 按钮即可完成 如图2 2 所示 图2 1 创建关键点对话框 图2 2 创建扇形面对话框 4 a d d 菜单 a d d 菜单是用来将多个面合并成一个面 图形用户界面操作方式为 m a i n m e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 o p e r a t e i 一 b o o l e a n s 一 a d d 一 a r e a s 系统将弹出一个对话框 然后在图形窗口中用鼠标左键选种所要相 加的面 点击o k 按钮即可完成 5 s u b t r a c t 菜单 s u b t r a c t 菜单是用来将一个大面中的一个单独的小面删除 图形用户界面操 作方式为 m a i nm e n u 一 p r 印m c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 o p e r a t e l 一 b o o l e a n s 一 s u b t r a c t i 一 a r e a s 系统将弹出 个对话框 然后在图形窗口中用鼠标左 键选中大面 点击o k 按钮 再用鼠标左键选中小面 点击o k 按钮即可完成 6 o v e r l a p 菜单 o v e r l a p 菜单是对面或线进行搭接操作 也即是将两个相交的面分成若干个 单独的面 或者将两条相交的线段分成四条线段 图形用户界面操作方式为 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 m o d e l i n g 一 o p e r a t e 一 b o o l e a n s 一 o v e r l a p a r e a s 或 l i n e s 系统将弹出一个对话框 然后在图形 窗口中用鼠标左键选中所要搭接的面 或线 点击o k 按钮 即可完成 2 2 2 创建电机有限元分析模型 包括创建定子模型 转子模型和励磁绕组 由于电机结构的对称性 所以在 绘图过程中 只需要画出它的一部分 然后对它进行相应的拷贝操作就可以得到 完整的电机电机有限元分析模型 1 创建转子 由于电机都是完全对称的 为了简化绘图过程 所以只需要画出它的1 8 面 即4 5 度 然后对它进行相应的拷贝操作就可以得到完整的电机转子有限元 分析图形 下面将详细介绍电机转子的创建过程 l 建一个4 5 度的扇行环面 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c r e a t e 一 c i r c l e 一 p a r t i a la n n u l u s 在弹出的对话框中输入圆心坐标和半径 2 画槽 电机磁极形状有磁极偏心和磁极不偏心两种情况 由于磁极偏心距的影响 所有的槽并不在同一个圆弧上 因此在画槽的过程中也要分这两种情况来处理 1 磁极不偏心 i d t 里以圆底槽为例 有时由于要画的槽不在y 轴上 槽底的圆心坐标难以确定 为了简化画图步 骤和减小误差 我们可以先画 个在y 轴上的槽 然后通过旋转一定角度的c o p y 命令 可以达到同样的效果 创建槽面的具体过程如下 确定槽底的圆心坐标 利用 c r e a t e 命令创建一个o 1 8 0 度的半圆 分别在半圆内和4 5 度圆弧外各创建一个关键点 它们的横坐标为槽口宽 度的一半 将两点连成线 将该线分别和圆弧的外圈弧线及半圆用 o v e r l a p 搭接 再利用线创建出半个槽面 如图所示 再将其关于x 轴映射 再将两个半槽面相加就得到了一个完整的槽面 利 用c o p y 命令将其复制到我们所需的位子 如图所示 2 画存在偏心距影响的槽 这里仍以圆底槽为例 在画偏心距影响的槽面时 首先要将该槽面所在的圆弧面画出来 再在实际 存在该槽的圆弧面上画出该槽面 其余步骤与上面不存在偏心距影响的槽面画法 相同 创建槽面的具体过程如下 假如电机偏心距为2 9 厘米 所以取圆心为 0 一2 9 以y x 起始边4 5 度的扇型环面 要利用命令o v r e l a p 中的a r e a 对圆心为 0 o 和 0 一2 9 的扇型面 进行搭接 然后根据图纸的要求 将多余的面删除 这样就画出了偏心区域了 确定槽底的圆心坐标 利用 c r e a t e 命令创建一个o 1 8 0 度的半圆 分别在半圆内和4 5 度圆弧外各创建一个关键点 它们的横坐标为槽口宽 l o 度的一半 将两点连成线 将该线分别和圆弧的外圈弧线及半圆用 o v e r l a p 搭接 再利用线创建出半个槽面 再将其关于x 轴映射 再将两个半槽面相加就 得到了一个完整的槽面 利用c o p y 命令将其复制到我们所需的位子 3 挖槽 利用面的减法将槽面挖空 并且要把画槽时所做的半圆面和线删除 面利用 a d d 或 d e l e t e 命令除去 线用d e l e t e 删除 4 去多余的面 1 由图纸计算所需关键点的坐标 用 c r e a t e 命令创建关键点 2 将关键点连成线 3 进行线的搭接 得出所需的线 4 将要挖去的部分用线构成一个面 5 最后再大面减小面 将多余的面挖去 至此 转子模型的八分之一就完成了 接着利用 r e f l e c t 命令将其关 于x 轴映射 再利罱 c o p y 命令旋转角度复制出剩下的部分 在执行 i e f l e c t 和 c o p y 命令时 要注意坐标的变换 这样一来电机的转子部分就完成了 2 创建定子 由于定子是完全对称的 所以我们在创建定子时 只需要画出它的一部分 同样通过面的拷贝可以完成整个定子图 具体步骤如下 i 画6 0 度的扇型圆环 通常取6 0 1 2 0 度 沿菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c r e a t 一 c i r c l e p a r t i a la n n u l u s l 定义 选取 p a r t i a la n n u l u s 菜单项 弹出 p a r ta n n u l u s c i ra r e a 对话框 在对话框 w p x w p y 后的文本框中 输入圆环的圆心 坐标 0 0 在 r a d 一 r a d 一2 后的文框中分别可以输入两个圆的半径 在 t h e t a 一1 后的文本框中输入圆环的起始角度6 0 在 t h e t a 一2 后的文本 框中输入圆环的结束角度1 2 0 单击 o k 按钮 在图形窗口中生成了扇型的圆 环 2 画定子槽 1 计算关键点的坐标 并创建关键点 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c r e a t 一 k e y p o i n t 与转子槽的画法类似 难以计算坐标的关键点用搭接的方法找出 2 计算出圆底槽的圆心坐标 并作出o 1 8 0 度半圆面 操作与画扇型圆 环类似 在此不再赘述 3 将关键点连成线 利用线的搭接得出所需的辅助线 即定子槽口的实 际不存在的边界线 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c r e a t 一 l i n e s 4 利用边界线及辅助线创建定子槽 5 根据图纸的要求 利用 c o p y 命令将剩余的槽补充完整 此时 进 行面拷贝时 需要移动一定角度 故必须将直角坐标系转换成柱坐标 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c o p y 一 a r e a s 3 挖定子槽 1 用 s u b t r a c t 命令进行挖槽 2 利用 p l o t 命令进行线显示和面显示 对照图纸检查有无多余的线或面 并将其剿除 4 将定予用 a d d 命令合成一个面 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 o p e r a t e 一 a d d 一 a r e a s l 这样我们就把定 转子有限元分析模型刨建好了 3 创建励磁绕组 励磁绕组的画法较为简单 本课题只需把励磁绕组作为长方形来处理 具体 步骤如下 2 r睨 吐 一呛 口一d 印 阡l 一 懈 d u m 缸 一m p 径盯 路竹 单 菜心一 a乩轧 一d 牡盯 呻 一 叮踮 m 印 阶 一 叫舱 嘎 径帆路灯 单 菜一 1 根据样机的图纸尺寸 计算出长方形各个顶点的坐标 并在a n s y s 软 件的开发环境下定出这几个关键点 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r c e s s o r 一 c r e a t 一 k e y p o i n t 2 根据关键点创建绕组矩形的边界线 菜单路径 一 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c r e a t 一 l i n e s 3 根据边界线创建面 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c r e a t e 一 一a r e a s 一 一 a r b i t r a r y 一 b yl i n e s 4 再用 r e f l e c t 或 c o p y 命令画出其余的绕组 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 r e f l e c t 一 a r e a s 或 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e o c e s s o r 一 c o p y 一 a r e a s 圜此 电机的有限元分析模型就已经创建好了 如图2 3 所示 2 2 3 定义和分配材料 划分网格 1 定义材料 在进行网格剖分之前 必须定义合适的材料属性 也即是输入定转子等铁磁 材料的磁化曲线和励磁绕组等非铁磁材料的相对磁导率 在a n s y s 中 电机的任 何一个部分都是需要定义其属性的 系统不会默认任何一种材料 气隙部分也是 如此 需要单独定义 但是 a n s y s 每次只能单独对一个面定义属性 而我们创 建的有限元模型中 各个部分的气隙不是在一个面上的 所以 我们在进行分配 材料和网格剖分之前 就必须将定转子之间的气隙连成一个面 具体步骤如下 分别将定予面 转子面和绕组面在原来的位置上进行拷贝 菜单路径 m a i nm e n u 一 p r e p r o c e s s o r 一 c o p y 一 a r e a s 以定子外径为直