ANSYS在永磁電機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用

　　近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，稀土永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。永磁電機(jī)采用永磁體勵磁，電機(jī)內(nèi)部的電磁場分布較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的等效磁路方法分析會帶來較大的誤差，為保證計算的準(zhǔn)確，一般采用有限元法對電機(jī)內(nèi)部電磁場進(jìn)行數(shù)值計算。應(yīng)用有限元法進(jìn)行數(shù)值分析，需對有限元法熟煉掌握，編制計算程序，工作繁鎖且精度不高，后處理能力有限。ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛、使用最方便的通用有限元分析軟件之一，該軟件融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體、聲學(xué)于一體，能進(jìn)行多物理場耦合計算，并具有極為強(qiáng)大的前、后處理功能。在使用上，使用者只需輸入所要計算的問題，便可獲得結(jié)果，并可對結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)使用，而不需要了解求解的詳細(xì)過程，更不需要掌握有關(guān)技巧和編制任何1994-2012ChinaAcademicJournal程序，極大地方便了使用，節(jié)省了時間和精力。具體到電機(jī)設(shè)計上，無論任何結(jié)構(gòu)、任何形式的永磁電機(jī)，只要將其模型輸入ANSYS就可進(jìn)行求解，通過后處理得到磁密分布、磁場分布、磁場強(qiáng)度分布、電磁力分布及轉(zhuǎn)矩分布的彩色云圖和單元列表，非常直觀明了并且計算精度很高。
　　本文通過對某海上設(shè)備用高速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計，較為詳細(xì)地說明了用ANSYS進(jìn)行電機(jī)內(nèi)電磁場分析的具體過程，并給出了樣機(jī)測試結(jié)果。
　　2永磁同步發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)和基本結(jié)構(gòu)該稀土永磁發(fā)電機(jī)經(jīng)變流設(shè)備帶動一組脈沖負(fù)載，要求電機(jī)輸出兩組三組電壓*33V（相電壓），功率為2kW，電壓變化率為±2./.，電機(jī)轉(zhuǎn)速為24000r/min，體積和重量要求極為嚴(yán)格。電機(jī)采用R2Co「（釤鈷2：17）永磁體，轉(zhuǎn)子采用6對極瓦片式結(jié)構(gòu)，外加不銹鋼緊固套，定子采用36槽結(jié)構(gòu)定子繞組輸出出頻率為2000Hz進(jìn)行電機(jī)電磁場分析，可分為三個階段：前處理、運(yùn)行計算和后處理。
　　這一階段包括定義單元類型、建立分析模型和定義各部分材料的性質(zhì)。單元類型定義為電磁分析（Electromagnetic）軸對稱型。本文設(shè)計的稀土永磁發(fā)電機(jī)為6對極對稱結(jié)構(gòu)，其電磁場分析模型采用一個極距范圍，如所示。模型可用ANSYS提供的用戶界面Workplane繪制，也可由Prc/E、UG或AUTOCAD繪制然后讀入。
　　輸入各種材料的性能：永磁材料的磁導(dǎo)率和矯頑力，非導(dǎo)磁材料（空氣、線圈、磁隔）的磁導(dǎo)率，定子鐵心（硅鋼片）和轉(zhuǎn)子磁軛（電工純鐵）的磁化曲線，然后將其一一賦予模型，再將模型中各材料面積融合為一體，如所示。
　　條件、施加激勵和運(yùn)行計算。選定整個模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如所示。然后將電樞部分面積設(shè)為電樞，將內(nèi)外兩條弧線設(shè)為平行于磁力線的邊界，若求解的是負(fù)載情況，在槽部加電流密度激勵，最后進(jìn)行運(yùn)行計算。
　　網(wǎng)格剖分包括繪制磁密分布圖、磁力線圖、磁場強(qiáng)度圖，求解電磁作用力或電磁轉(zhuǎn)矩等。、5、6分別是電機(jī)空載時的磁密、磁場強(qiáng)度、磁力線分布圖，也可以采用列表的方法將各單元數(shù)值列出。通過圖形可以清楚地看出各部分磁密分布，磁場強(qiáng)度的大小，計算出磁鋼的空載工作點(diǎn)以及各個電磁計算中所需要的系數(shù)，負(fù)載情況與此類似，從而在直觀明了的情況下完成電機(jī)的電磁設(shè)計。
　　磁密分布圖本文稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計，通過AN~SYS進(jìn)行電機(jī)電磁場數(shù)值計算，很好地完成了設(shè)3.2運(yùn)行處理這一階段包括：網(wǎng)格剖分、設(shè)定電樞、加邊界計任務(wù)，滿足了電機(jī)電壓變化率土2 7.的要求。樣磁場強(qiáng)度分布圖磁力線圖機(jī)測試空載輸出電壓和負(fù)載輸出電壓如、8所示。圖中空載相電壓分別是33.41V、32.73V、32.81V.負(fù)載相電壓分別是33.42V、32.95V、負(fù)載電壓波形圖ANSYS通用有限元分析軟件，具有極強(qiáng)的前后處理功能和較高的分析精度，并且使用方便，常用于結(jié)構(gòu)和傳熱方面的分析，在電磁場分析方面也能取得很好的應(yīng)用。
　　ANSYS應(yīng)用于永磁電機(jī)設(shè)計使用極為方便，結(jié)果直觀明了，使永磁電機(jī)設(shè)計更加準(zhǔn)確和直觀。
　　對于大型永磁電機(jī)或?qū)囟纫筝^高的永磁電機(jī)的設(shè)計，ANSYS的電磁熱、電熱多物理場耦合分析功能將會起到很大的作用。