ANSYS低频电磁场的场路耦合分析应用实例

ANSYS低频电磁场的场路耦合分析功能及感应电机场路耦合分析应用实例ANSYS程序的电磁场分析功能分为低频和高频这两个主要的分析模块，在低频电磁场分析部分，其功能涵盖静态磁场分析、谐波（交流）磁场分析、瞬态磁场分析、静电场分析、电流传导分析、电路分析、场路耦合分析等内容。本文重点介绍场路耦合分析的一些应用技巧，并以一个两极三相感应电机启动状态的场路耦合分析为例予以简要说明。对于其它分析类型，可参考ANSYS相应的技术说明手册。1、择合适的单元对于场路耦合分析，场分析模型中有两种类型的终端条件实现与电路的联接：电路供电绞线圈和电路供电块导体。在二维状态下，场分析中与电路联接的部分必须用53号单元，而三维时必须用97号单元，这两种单元的第一关键选项设置为3时，表示电路供电绞线圈，其第一关键选项设置为4时，表示电路供电块导体。在路分析模型中的124号电路单元里，也有两种类型的单元选项与上面两种形式对应，以实现“联接”，当其第一关键选项设置为5时，为二维或三维绞线圈单元，设置为6时，为二维块导体单元，设置为7时，为三维块导体单元。当这些电路单元的类型设置与场单元的一致、并共享某些节点后，即实现了联接，如下所述。2、实现联接对于二维场路耦合分析，场分析模型中的每一个电路耦合绞线圈（53号单元的Keyopt(1)=3）和电路耦合块导体（53号单元的Keyopt(1)=4）上，必须分别耦合所有节点的电流自由度（CURR）和电动势自由度（EMF）。在定义电路中的绞线圈单元（124号单元的Keyopt(1)=5）或块导体单元（124号单元的Keyopt(1)=6）时（这两种单元都只有I、J、K三个节点），其K节点必须为场模型中相应绞线圈或相应块导体上的一个节点。对于三维场路耦合分析，场分析模型中的每一个电路耦合绞线圈（97号单元的Keyopt(1)=3）上，必须耦合所有节点的电流自由度（CURR）和电动势自由度（EMF）。在定义电路中的绞线圈单元（124号单元的Keyopt(1)=5）时（此时该单元共有I、J、K三个节点），其K节点必须为场模型中相应绞线圈上的一个节点。三维块导体的定义和联接要稍微麻烦些，首先，场模型中的块导体上，其两个与路联接的端面需分别设置场路耦合界面标志（MCI分别等于+1和-1）；其次，在定义电路中的块导体单元（124号单元的Keyopt(1)=7）时（此时该单元共有I、J、K、L四个节点），其K节点必须为前面MCI=-1的那个面上的一个节点，其L节点必须为前面MCI=+1的那个面上的一个节点；最后，再进行一系列自由度耦合操作：一是耦合电路单元的I节点和K节点所在面上所有节点的电压自由度（VOLT），二是耦合L节点所在面上所有节点的电压自由度（VOLT）（注意此处不含电路单元的J节点），三是分别耦合K节点和L节点所在面上所有节点的电流自由度（CURR）。3、其它部分的模型建立前面已讲了场路耦合分析中的最重要部分：如何实现场模型与路模型的联接。一旦联接完成，其它部分的模型就可很方便的建立了，比如电阻、电感、电源等其它电路元件，利用ANSYS的专用电路建模程序，直接建立即可。需要指出的是，对于场分析模型而言，坐标的概念很重要，这一点不言而喻；而对于路分析模型而言，其节点或单元坐标没有什么实际意义，重要的是路的联接关系。因此，在定义电路单元的节点时，其坐标值原则上可以任意设定，但为了在图形显示中观察起来更方便，定义电路单元的节点坐标可遵循一定的规则，比如，对于二维场路耦合分析，电路绞线圈单元的I和J节点的X和Y坐标可以设置为其K节点的X和Y坐标（K节点是场模型上的一个节点），而I、J节点的Z坐标可分别设为+z和-z（此处，z为一任意值），这样，场路模型的耦合关系在图形显示上就非常直观了，余者类推。这样的模型建立方式通过ANSYS的APDL语言可以很方便地完成。4、两极三相感应电机场路耦合分析应用实例在电机设计中，有大量的经典设计程序可以利用，这些经典程序都是基于磁路的方法，但由于非线性（铁芯饱和）及结构复杂性等因素的存在，磁路计算无法得到准确的结果，包括定子槽漏抗、励磁感抗、转子槽漏抗等等，而基于有限元方法的场分析对于这些参数的计算就很有优势。从另外一个方面，电机的端部由于其联线方式的复杂性，用场分析的方式基本上没有办法实现，只有采用路来代替，而路的参数（比如端部阻抗和漏抗等）可用经典电机设计程序计算（由于端部不存在铁芯影响，经典计算很准确）。这种现代计算方法与经典计算方法的结合、场分析方法与路分析方法的结合，双方优势互补，可以获得高精度的计算结果。相应的分析过程、程序设计和使用说明如下!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!两极三相感应电机启动状态场路耦合电磁场分析程序!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(第一段程序)!!!!!!!!!!!!!!!!本段程序的目的!!!!!!!!1输入电机各参数!!!!!!!!2建立电机几何模型!!!!!!!!3划分场分析部分的网格!!!!!!!!(场路耦合分析的电路连接部分由后面一段程序完成)!!!!!!!!!!!!!!!!(单纯的场分析用此段程序即可完成全面的建模任务)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!finish/clear/uis,msgpop,3/prep7csys,0btol,1e-10*afun,degmultipro,'start',6*cset,1,3,d1,'OuterDiameterofStator(mm)',950!定子外直径*cset,4,6,d2,'InnerDiameterofStator(mm)',520!定子内直径*cset,7,9,gap,'GapbetweenStatorandRotor(mm)',5.5!气隙高度*cset,10,12,nslots,'SlotNumberofStator',48!定子槽数*cset,13,15,nslotr,'SlotNumberofRotor',40!转子槽数*cset,16,18,d4,'DiameterofRotorAxis(mm)',280!转子轴直径multipro,'end'r1=d1/2/1000!定子外半径,转化为国际单位制r2=d2/2/1000!定子内半径,转化为国际单位制gap=gap/1000!定转子间气隙高度,转化为国际单位制r3=r2-gap!转子外半径,转化为国际单位制r4=d4/2/1000!转子轴半径,转化为国际单位制delta=gap/1e5!一个用于确定选择区域的极小量multipro,'start',3*cset,1,3,nhole,'HoleNumberofRotor',20!转子轴向孔的数目*cset,4,6,dhole,'MainDiameterofHoles',395!转子轴向孔圆心处的直径*cset,7,9,dh,'HoleDiameter',20!转子轴向孔本身的直径multipro,'end'rhole=dhole/2/1000!转子轴向孔圆心处的半径,转化为国际单位制rh=dh/2/1000!转子轴向孔半径,转化为国际单位制!!定义定子槽尺寸参数!(如果采用与前面一样的方式,这些数据也可以由菜单界面输入)!ss_h=72/1000!槽高,转化为国际单位制(下同)ss_w=17/1000!槽宽ss_ci=2/1000!绕组层间绝缘厚度ss_turn=48/2!定子每个绕组导线根数ss_cln=2!并绕导线根数ss_clw=5.6/1000!导线宽度ss_clh=2/1000!导线高度ss_cli=0.5/1000!导线间漆膜厚度ss_cll=600/1000!绕组长度(定子铁芯长度)ss_ch=(ss_clh+ss_cli)*(ss_turn/ss_cln)!每个绕组高度ss_cw=(ss_clw+ss_cli)*ss_cln!每个绕组宽度!!定义转子槽尺寸参数sr_h1=7/1000!小缝高度sr_w1=2/1000!小缝宽度sr_h2=14/1000!中缝高度sr_w2=7/1000!中缝宽度sr_h3=30/1000!槽高sr_w31=17/1000!槽顶宽sr_w32=12/1000!槽底宽sr_cll=690/1000!导条轴向长度(直线段长度)!!!!!!sr_ci=4.8/2/1000!槽绝缘厚度!!!计算定子线圈参数,用于单元实常数定义care1=ss_ch*ss_cw!绕组横截面积turn1=ss_turn/ss_cln!绕组匝数(注意,要除以并绕根数!)leng1=ss_cll!绕组轴向长度fill1=(ss_clw*ss_clh)*ss_turn/care1!绕组填充系数!!计算转子导条参数,用于单元实常数定义hh=sr_h3-2*sr_ci!梯形导条高度ww1=sr_w31-2*sr_ci!梯形导条上底宽ww2=sr_w32-2*sr_ci!梯形导条下底宽care2=(ww1+ww2)*hh/2!梯形导条横截面积leng2=sr_cll!导条轴向长度!!定义单元类型et,1,53,0!AZ自由度,用于空气和绝缘区域et,2,53,3!AZ,CURR,EMF自由度,电路耦合绞线圈,用于定子线圈导体et,3,53,4!AZ,CURR,EMF自由度,电路耦合块导体,用于转子槽内导条et,4,53,0!AZ自由度,用于铁芯区域!r,2,care1,turn1,leng1,,fill1!定子线圈单元的实常数r,3,care2,leng2,,!转子导条单元的实常数!!定义材料参数mp,murx,1,1!空气导磁率,用于空气和绝缘mp,murx,2,1!导体导磁率,用于定子线圈mp,rsvx,2,0.0434e-6!导体电阻率mp,murx,3,1!导体导磁率,用于转子导条mp,rsvx,3,0.0434e-6!导体电阻率!!mp,murx,4,2000!调试程序时,用线性材料,省时间些!tb,bh,4,,18!铁芯,输入BH曲线tbpt,,31.85,0.1tbpt,,45.28,0.2tbpt,,55.73,0.3tbpt,,64.49,0.4tbpt,,72.45,0.5tbpt,,76.83,0.6tbpt,,79.62,0.7tbpt,,87.58,0.8tbpt,,104.3,0.9tbpt,,121.0,1.0tbpt,,143.3,1.1tbpt,,189.5,1.2tbpt,,262.7,1.3tbpt,,429.9,1.4tbpt,,995.2,1.5tbpt,,2547.8,1.6tbpt,,5095.5,1.7tbpt,,7643.3,1.78!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!建立几何模型!!(建立几何模型时,充分考虑了如下因素:!!1快捷(尽量采用简单的(虽然这样稍微增加了编程工作量)!2便于划分网格(尤其是定子与转子间的气隙处,无论结构形式如何,!本程序都可映射生成沿径向均匀分布的层数任意的网格而不影响!气隙附近的网格密度分布)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!cyl4,,,r4!第一个圆形面(转子轴)cyl4,,,r4,,r3!第二个圆环面(转子铁芯)cyl4,,,r2,,r1!第三个圆环面(定子铁芯