一种Maxwell和Workbench电机磁-固耦合仿真的简便方法

ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014电机电磁、震动和噪声分析流程简介本例将重点展示，如何在ANSYSWorkbench平台下，电机的电磁、震动和噪声的耦合分析流程。本例以永磁同步电机模型为例。在Maxwell2D中，利用该电机的1/8模型，计算定子内表面径向和切向磁拉力；然后在ANSYSMechanical中进行该电机三维定子的谐响应分析；最后在ANSYSMechanicalACT中进行三维声场分析。在Workbench中，Maxwell中计算的定子内表面径向和切向磁拉时域力密度分布，作为激励源，耦合到Mechanical中进行频域的谐响应分析；谐响应分析的结果，作为激励耦合到ANSYSMechanicalACT中，作为噪声分析的激励。本例目的在于展示电磁场、谐响应以及声场的耦合分析和数据传递流程，不包含Maxwell、Mechanical以及AcousticsACT等相关软件的细节具体操作，只描述关键步骤。如要查看具体操作，可查看ANSYS公司的其他相关培训教程。本例模型非真实存在电机，仿真结果不具参考性。软件要求本例中的电磁、震动和噪声的耦合分析，需要需要使用MaxwellV2014、ANSYSMechanicalR15版本。需要安装ANSYSWorkbench，并且Maxwell、Mechanical都集成到Workbench界面中。需要安装并激活AcousticsACT选项1ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014导入Maxwell文件选择Workbench菜单FileImport将默认的文件类型改为MaxwellProjectFile(*.mxwl)浏览到Maxwell文件保存的路径选择文件“Ex_MaxwellTransient_Harmonic_Acoustic.mxwl”，并打开。启动ANSYSWorkbench启动Workbench选择Windows开始菜单，点击AllProgramesANSYS15.0Workbench15.0确保Maxwell2D、HarmonicResponse等求解器，显示在Workbench左侧的窗口中，如右图。导入MaxwellProject文件用户可以在Workbench中启动Maxwell2D，并新建分析project；也可以在Workbench导入已有的Maxwellproject文件。本例采用后者。2ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014启动Maxwell导入Maxwell文件成功后，在Workbench的工作区会出现一个MaxwellDesign。启动Maxwell双击MaxwellDesign上的Maxwell2D标签，弹出Maxwell2D界面。Maxwell分析模型介绍分析模型为Prius电机的二维分析模型。瞬态分析模型的各项设置已经设置好。如需要详细了解如何设置电机的瞬态分析模型，请查看其他相关培训文件。Maxwell模型修改为了精确分析定子齿部的径向电磁力，并将力密度的分布耦合到后续的谐响应分析中。需要将定子齿部“分割”出来，并施加更细密的网格剖分。定子铁心PhaseAPhaseBPhaseC磁钢转子轴PhaseC3ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014几何模型修改修改选择模式1.选择菜单EditSelectObjects；2.或从键盘，点击快捷键“O”。复制定子铁心1.用鼠标，在图形窗口点击定子铁心。2.点击，菜单EditCopy3.点击，菜单EditPaste4.在模型列表里面，会多出来一个物体Stator1。建一个辅助圆1.点击菜单DrawCircle；2.在坐标输入区域，输入圆心的坐标点X:0；Y:0；Z:0；点击回车键确定。3.在坐标输入区域，输入半径dX:84；dY:0；dZ:0；点击回车键确定。4.在模型列表里面，会出现新部件Circle3。建立定子齿尖部分模型1.按住Ctrl键，先选择物体Stator1，再选择Circle32.点击菜单，ModelerBooleanIntersect3.点击OK按钮建立定子背板模型1.按住Ctrl键，先选择物体Stator1，再选择Stator12.点击菜单，ModelerBooleanSubtract3.在弹出的窗口中，选择BlankParts:Stator1；ToolParts:Stator14.选择Clonetoolobjectsbeforesubtracting:5.点击OK按钮修改定子齿尖模型属性1.在模型列表选择物体Stator1，右键点击Properties2.在弹出的属性窗口中，将Name改成ToothTips3.点击菜单ModelerBooleanSeparateBodies4ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014网格剖分在原有网格剖分的基础上，加密网格剖分加密定子齿尖网格剖分按住Ctrl键，依次选择6个定子齿尖模型点击菜单Maxwell2DMeshOperationsAssignOnSelectionLengthBased在弹出的ElementLengthBasedRefinement窗口中，1.将Name改成Length_ToothTips2.RestrictlengthofElements:3.MaximumLengthofElements:0.25mm4.点击OK改善曲线网格剖分选中所有的物体（Ctrl+A）点击菜单Maxwell2DMeshOperationsAssignSurfaceApproximation在弹出的SurfaceApproximation窗口中，1.将名字改成SurfApprox_ToothTips2.设置maximumsurfacedeviation(length)为0.001mm3.点击OK5ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014调整仿真时间与步长双击Projects管理窗口上的AnalysisSetup1设置仿真停止时间StopTime为10ms设置时间步长TimeStep为50us点击OK激活瞬态电磁场与谐响应分析的耦合分析选项激活瞬态电磁场与谐响应分析耦合分析选项点击菜单Maxwell2DEnableHarmonicForceCalculation在弹出的EnableHarmonicForceCoulping窗口中，1.选中EnableForceCalculation，2.在每一个齿尖模型的选择框中，打勾如下图。3.点击OK。Maxwell将会在最后一个完整周期，计算每一个选中物体的瞬时电磁力，并通过傅里叶分析，转化成频域的电磁力数据，频率范围是从直流到DCto1/(2*dT).6ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014模型Validation检验检验Maxwell模型点击菜单Maxwell2DValidationCheck点击Close按钮Note：在信息窗口中，参看错误和警告信息；如有错误信息，需按照提示修正错误。Maxwell求解Maxwell求解点击菜单Maxwell2DAnalyzeAll查看Maxwell仿真结果关闭Maxwell关闭Maxwell界面点击菜单FileCloseDesktop保存WorkbenchProject保存WorkbenchProject返回到Workbench主界面中选择菜单FileSave保存为文件名“Ex_MaxwellTransient_Harmonic_Acoustic.wbpj”7ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014安装并激活AcousticsACT选项在Workbench主界面下，安装噪声计算插件AcousticsACT。主要该插件只需要安装一次，若以前安装过，则可以跳过本步骤。点击Workbench菜单ExtensionsInstallExtension在弹出的对话框中，选择”*.wbex”文件(例如，ExtAcoustics_150.26.wbex)。安装插件激活AcousticsACT选项点击Workbench菜单ExtensionsManageExtensions在弹出的ManageExtensions对话框中，选中ExtAcoustics前面的单选框激活Beta选项激活Beta选项点击Workbench菜单Tools-Options-Appearance选中BetaOption前的单选框8ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014建立谐响应分析系统新建谐响应分析在Workbench的AnalysisSystem窗口中，选择Harmonicresponse。并将Harmonicresponse拖拽到ProjectSchematic窗口中Maxwell的右边。导入谐响应分析几何模型导入谐响应分析几何模型右键点击Harmonicresponse分析上的Geometry（B3），选择ImportGeometryBrowse，选择培训用文件“stator.x_t”。链接Maxwell与Harmonicresponse用鼠标连接Maxwell2D的下的Solution（A4）与Harmonicresponse下的Setup（B5）9ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014UpdateProject右键选择Maxwell2D下面的Solution标签(A4)，然后点击update启动ANSYSHarmonicresponse双击谐响应分析中的Model标签（B4）在弹出的谐响应分析界面中，会自动出现一个用于Maxwell数据耦合的标签。ANSYSHarmonicresponse单位设置点击菜单UnitsMetric(mm,kg,N,s,mV,mA)10ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014创建NamedSelection为了便于选择操作，预先定义几个NamedSelection创建定子内表面NamedSelection“ToothTip”将选择模式切换到面，在图形窗口用鼠标选择任意一个定子齿的内表面右键点击CreateNamedSelection在弹出的SelectionName对话框中，输入NamedSelection的名字为ToothTips选中ApplyGeometryItemsofSame下面的Size单选框此时，应该定义了一个名为ToothTips的NamedSelection，它包含定子的48个内表面创建固定用孔的NamedSelection“Bolts”方法与上一步类似11ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014选择定子外表面的所有240个面，创建创建定子外表面的NamedSelection“Stator_shell”新建柱坐标系新的柱坐标系用于显示径向的变形和应力分布。新柱坐标的圆心为坐标原点。ANSYSHarmonicresponse模型检查确认定子外壳与定子之间。接触良好，有一个“BondedContact”的设置。12ANSYSMaxwellv2014培训教材WS01电机电磁、震动和噪声耦合分析流程Maxwellv2014Harmonicresponse网格剖分点击Harmonicresponse下面的Me