基于ANSYS的开关磁阻电动机径向力计算及二次开发_图文

1、中图分类号:T M351文献标识码:A 文章编号:100126848(20070920023203基于ANSYS 的开关磁阻电动机径向力计算及二次开发沈磊,吴建华(浙江大学电气工程学院,杭州310012摘要:针对开关磁阻电动机双凸极结构的特点,系统阐述了用Ansys 对电动机进行有限元分析的前处理、求解和后处理以及二次开发的关键步骤;给出了Ansys 下磁阻电动机径向力和转矩的计算方法,分析了不同的定转子极弧角度对电机径向力和转矩特性的影响。通过二次开发,为该型电动机的优化设计打下了良好基础。关键词:开关磁阻电动机;Ansys;径向力;二次开发;有限元分析Rad i a l Force Co

2、m put a ti on of SR M otor and its Second D evelop m en t Ba sed on ANS Y SSHEN Lei,WU J ian 2hua(College of Electrical engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China ABSTRACT:Due t o the double 2salient structure of SR mot or,this paper illustrates the key p r ocedure on the second devel opm

3、ent in finite ele ment method (FE M analysis of SR mot or based on Ansys,in 2cluding p rep r ocess,s olve and post p r ocess,the computati on method of SR mot or radial force and t orque with Ansys is given,in additi on it analyses the influence of different stat or pole angle and different r ot or

4、pole angle on radial force and t orque character of SR mot or .KEY WO R D S:S witched reluctance mot or;Ansys;Radial force;Second devel opment;FE M收稿日期:20062092280引言开关磁阻电机(简称SR 电机具有结构简单、工作可靠、调速范围宽、起动转矩大等优点,但转矩波动和噪声偏大,影响了其应用领域的拓展。要有效抑制SR 电机转矩波动和噪声,必须系统计算和分析其径向力和转矩特性。由于SR 电机的双凸极结构特点,运行时的开关性以及磁路的非线性,采用

5、有限元分析是一种有效方法。SR 电机磁路随转子位置变化而改变,导致每一位置磁场分析都需要重新建模,数据准备和求解工作量大,宜自动建模分析。Ansys 软件是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序,支持各种电磁场问题的分析,计算结果较准确,在电机研究等领域得到广泛应用。更重要的Ansys 提供AP DL 语言,支持二次开发。通过对Ansys 的二次开发,可根据所要分析的问题设置参数,实现分析过程的自动计算,减少使用者的重复工作,为电机性能计算和优化奠定良好的基础。R 1A rumuga m 在对SR 电机进行二维有限元分析方面作了理论性的研究,并计算出了磁化特性曲线1。文献2给出了在An 2sy

6、s 环境下计算并显示电机磁通线图和磁通密度云图的方法。本文进一步阐述了用Ansys 对开关磁阻电机进行前处理、求解及后处理进行二次开发的关键步骤,给出了Ansys 下开关磁阻电机径向力和转矩的计算方法,并对不同的定、转子极弧角度对径向力和转矩的影响进行了分析。1径向力和转矩计算SR 电机径向力的计算可以通过磁场储能或磁共能对电机径向取导而得。磁共能W 为:W =i(i,d i (1式中,i 为相电流,为转子角度。径向力为:f =9W9xi =const(2式中,x 为电机的径向位移。电磁转矩为:32T=9W9i=const(3式(1式(3宜采用有限元法求解。2用Ansys计算SR电机径向力和转

7、矩211AP DL语言有限元分析二次开发由于SR电机双凸极结构的特点,本文采用AP DL语言对Ansys进行二次开发,以实现SR电机自动有限元分析。计算时采用矢量磁位,并做如下假设:(1忽略电机端部磁场效应,磁场沿轴向均匀分布,即电流密度矢量和矢量磁位只有轴向分量。(2铁心冲片材料各向同性。AP DL是Ansys特有的参数化设计语言,可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。它提供一般程序语言的功能,如,参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问Ansys数据库等。在对SR电机建模时所需的主要命令如表1。表1建模基本命令命令功能举例K定义关键点K

8、,1,3,4在(3,4处定义一个标号为1的关键点。LSTR 用直线联结两个关键点LST R,1,2把1,2关键点用直线联结。LARC 用圆弧联结两个关键点LARC,2,3,6,7以6为圆心7为半径的圆弧连接关键点2、3。LGE N 用几条线生成新的线LGE N,5,2,4,1,3沿X轴方向每隔3个单位重复生成由线段2到4构成的图形,共进行5次。AL 通过已定义的边界线生成一个面AL,1,2,3生成由1,2,3号线段围成的面域。CY L4在工作平面上生成圆面CY L,0,0,5生成以(0,0为圆心,5为半径的圆面。以8/6极SR电机为例,采用AP DL进行有限元分析的二次开发基本流程如下:(1建

9、立一个极的关键点:使用K命令生成关键点,参见图1中的点1、2等。(2连线:用LST R、LARC命令将关键点用直线或弧线连接起来,参见图1中线L1、L2等。(3旋转复制图形:使用LGE N命令,将步骤(2生成的图形旋转复制。(4生成面域:分别选中转子极线段和定子极线段,使用AL命令生成转子和气隙面域,使用CY L4命令以定子外径和转子轴径生成圆域。(5面域叠加:上述步骤生成的各面域相互独立,最后必须用AOVLAP命令将各独立面域叠加,生成求解模型,见图2。(6剖分:使用S MRT设置智能剖分的精度,然后用AMESH对模型进行剖分。(7施加边界条件和励磁:利用BF A对图中的绕组部分施加电流密度

10、,选中定子外围节点, 施加边界条件Az=0。 Max well边界条件的施加参见212节。(8求解:使用eqslv,fr ont,0选择波前法,然后用MAGS OLV求解该电磁场问题。图1一个极下的模型图2SR电机最终求解模型212径向力和转矩计算(1径向力计算在Ansys中,用虚位移法来计算电磁力。计算径向力时,先施加虚功位移标记。所计算的部分周围至少要包围着一层空气。选择图3中粗线所代表的节点,把虚功位移标记(MVD I=1施加给这些节点。在求解时,系统会计算Max well力,并把它储存在周围的空气单元中。在后处理中,使用ET ABLE,F V WX, N M I S C,3和SS U

11、M得到径向力结果。(2转矩计算在计算转矩之前,需要使用F MAG BC对所计算的元件加Max well标记和虚功标记,所计算的元42 件周围至少要包围着一层空气。一般把转子的外边用F MAG BC 施加标记,然后使用T ORQS UM 计算转矩。 图3施加M ax well 标记的位置213VB 调用Ansys为便于应用,采用VB 自动生成AP DL 程序,并调用Ansys 求解。AP DL 程序可分为两部分:参数部分,随电机结构参数变化而改变,由VB 生成;分析部分,预先编制且无须改变。两部分连接构成最终的程序。 在VB 中调用Ansys 本质上是启动一个新的进程,可以使用CREATEPRO

12、CESS,SHELL,SHE L 2LEXECUTE,W I N EXEC 等函数从VB 中启动一个新的程序。以W I N EXEC 为例,VB 调用ANSYS (版本1010的方法如下:ansysPr o =m _FilePath +“ansys100-b-p ane3fl -i data .dat-o sr m 1out ”retval =W inExec (ansysPr o,0m _FilePath 为Ansys100所在路径。由于W I N EXEC 在调用的程序结束后才返回,因此不用其他附加的代码来判断程序是否结束。VB 与Ansys 进行数据交换是通过对文件读写实现。3计算实例下

13、面以一台715k W 、8/6极SR 电机为例,利用二次开发的AP DL 程序,计算了SR 电机的径向力特性和转矩特性。由于建模、剖分、求解和后处理整个过程均自动完成,不同转子位置和不同电流的磁场分析变得非常轻松。图4(a 为径向力特性,图4(b 为转矩特性。由于SR 电机的定、转子极弧角对性能有很大的影响,本文进一步分析了不同极弧角度对径向力特性和转矩特性的影响。图5为相电流30A,转子极弧不变(23°,不同定子极弧角度下的径向力特性和转矩特性。图6为相电流30A,定子极弧不变图4不同转子位置和电流下的径向力特性和转矩特性(21°,不同转子极弧角度下的径向力特性和转矩特性

14、。可以看出在两种情况下,转矩特性曲线都随着极弧的减小而发生曲线右移。这是由于在这两种情况下临界重叠角都会减小的缘故。径向力随着极弧的减小而减小,在定子极弧不变、转子极弧为17°时和转子极弧不变、定子极弧为17°时,由于过度饱和,径向力在对齐位置时,下降较多。图5转子不变,不同定子极弧角度下的径向力特性和转矩特性图6定子不变,不同转子极弧角度下的径向力特性和转矩特性4结语针对开关磁阻电机非线性、解析计算困难的特点,本文阐述了用Ansys 对开关磁阻电机进行前处理、求解、后处理及用VB 进行二次开发的关键方法,给出了径向力和转矩的计算方法,讨论了不同的定、转子极弧对电机径向力和

15、转矩的影响。利用本文提出的方法能够迅速计算出SR 电机的径(下转第32页52(1磁通量:<=20SN 0(3式中,<为磁通量;0为空气磁导率;S 为气隙处导磁面积(c m 2;N 0为电磁推力(N ,考虑动子运动时的摩擦等机械阻力,应在制动器弹簧压力的基础上乘一安全系数。(2导磁体中磁压降气隙中磁压降:F =018×<S(4式中,为气隙(c m 。磁密:B i =<S i(5式中,B i 为每段导磁体磁密;S i 为每段导磁体的截面积(c m 2。由B i 根据材料的磁化曲线查出对应的磁场强度H i 。导磁体中磁压降:F c =61H i L i (6式中,L

16、 i 为每段导磁体长度(c m ;H i 为每段磁路上的磁场强度(A /c m 。总磁压降:F =F +F c(7(3线圈设计由电磁铁的额定电压和额定电流可求得线圈电阻R 。电磁铁工作电流:I 1=nUR(8式中,n 为安全系数,考虑到电磁铁设定电压达到额定电压的60%70%时,电磁铁能产生足够的吸力,以克服弹簧力、机械阻力及温升等影响,n 取016017。根据总磁压降等于安匝数,计算出线圈匝数W =FI 1(9最后可确定线圈导体的直径,设计出电磁铁的线圈结构。3结语经过几个批次的生产及对该制动器的性能检测和环境试验,各项指标均满足要求。该项目完成后,顺利地通过了国家有关部委的评审验收,并获得

17、了较高评价。研制的制动器主要指标为:外径<40mm ,额定电压(DC 27V,电流0186A ,制动转矩大于117N m 。参考文献1徐灏.机械设计手册M .北京:机械工业出版社,1991.2何德誉.曲柄压力机M .北京:机械工业出版社,1981.3吴恒颛.电机常用材料手册M .陕西:陕西科学技术出版社,2001.4夏天伟,丁明道.电器学M .北京:机械工业出版社,2004.作者简介:龚园丁(1961-,男,高级工程师,从事微特电机工艺技术研究。(上接第25页向力和转矩,利用所得数据可以进行电机的非线性仿真,并为SR 电机的优化设计和抑制噪声振动打下良好基础。参考文献1A rumugam

18、 R,Lowther D A,Krishnan R,et al .Magnetic FieldAnalysis of A S witched Reluctance Mot orU singA T wo D i m enti onal Finite Element Model J .I EEE Trans .on magnetic,1985:198321985.2丁文,周会军,鱼振民.基于ANSYS 二次开发的开关磁阻电机电磁场分析软件J .微电机,2006,39(2:19221.3Mehdi Moalle m,Chee 2Mun Ong,Lewis E,U et al .Effect ofRot or Pr ofiles on the