参数化设计3

8P12S电机辅助槽的参数化设计山东大学贝加莱现代电机控制实验室[e-mail]123717398(2012/10/28)准备工作：1.问题描述根据文献[1]中相关内容的描述，对于8极12槽电机，是不适合开辅助槽削弱齿槽转矩的，辅助槽只会增大齿槽转矩的幅值。然而，现有的伺服电机产品中（本田电机），仍然有在8P12S组合下开辅助槽的应用，其根本原因是，利用了开辅助槽而带来的齿部饱和效应产生的附加齿槽转矩，在一定程度上抵消了原来的齿槽转矩的幅值，从而达到减小齿槽转矩的效果。这篇文档就是基于辅助槽带来的齿冠饱和，通过对辅助槽的槽深和槽宽的不同组合的研究，来探索8P12S电机的辅助槽是如何削弱齿槽转矩的。文章详细叙述了有限元软件的建模过程和参数化分析方法。2.软件功能区域说明（Ansoft14）一、建立原始模型1.执行File-New，建立新工程文件（图1）图1建立工程文件并重命名菜单栏按钮栏属性栏模型树视图区工程树信息栏进度栏2.右击Project1-Rename，将工程名改为8P12S_Parametric3.执行Project-InsertMaxwell2DDesign，在工程文件内，建立Maxwell2D有限元项目4.右击Maxwell2DDesign1-Rename，将项目名改为Parametric_Design_1（图2）图2建立Maxwell2D有限元分析项目并重命名5.右击Parametric_Design_1-SolutionType,求解类型选择Magnetic:Transient，坐标系选择笛卡尔坐标系”Cartesian,XY”图3SolutionType对话框6.生成定子铁心模型执行Draw-UserDefinedPrimitive-SysLib-RMxprt-SlotCore。这是通过Ansoft自带的2D/3D电机图形库来生成的定子模型，由RMxprt自动生成的Maxwell2D的模型也是由这个方式实现的。定子模型需要输入的参数，这些参数的数值如图4所示。这个模型前5项是RMxprt/SlotCore的版本和说明信息；从第6项开始，是电机定子的各项参数，从RMxprt中，可以找到与之相同的项目；最后面5项是Maxwell2D中，用于控制2D模型的一些附加设置。其中，最后一项InfoCore是模型的状态字，有0和100两个值可选。当InfoCore=0时，画出来的是定子铁心；当InfoCore=100时，画出来的是定包围定子的空气包。（注：画好定子后，再把定子复制粘贴一遍，再把InfoCore改为100，就画出包围整个电机定子的空气包了，这里暂不讨论。）最后，生成的定子铁心模型如图5所示，其默认的名称为SlotCore1，双击左侧模型树中的SlotCore1调出它的属性对话框（图6），在Name选项中，将名称改为StatorCore，其他选项暂不变化。图4定子铁心模型的信息图5定子铁心模型图6定子铁心模型的属性对话框7.生成转子铁心模型执行Draw-UserDefinedPrimitive-SysLib-RMxprt-PMCore，按照下图填入参数：图7转子铁心模型的信息图8定转子铁心模型图8给出了定转子铁心的2D模型，参照定子铁心模型的操作，将转子模型的名称改为RotorCore。8.生成永磁体永磁体的模型是和转子铁心模型是封装在一起的。在生成转子铁心模型的同时，也输入了永磁体的数据。因此，转子铁心和永磁体模型的区别仅在模型参数栏的InfoCore状态字上。所以，为了生成永磁体磁极，首先要把转子铁心RotorCore复制出1个副本（复制的过程可用右键菜单完成，不详解）。把副本的名称改为Pole，并从模型树中，展开Pole的历史数据（图9）。然后双击CreateUserDefinedPart，弹出模型的参数对话框（图10），将最后一项InfoCore的值由0改为1。图9Pole在模型树中的历史记录图10修改Pole的InfoCore状态字Pole的图形如图11所示。但此时的Pole是8个磁极的联合模型，虽然8个磁极的图形不互相毗邻，但8个磁极在模型的逻辑关系上是一体的，在逻辑上是一个模型。然而以后的工作中，我们必须把8个磁极分别定义磁化方向，所以必须把8个磁极分离开。这里用到的分离方法是，选定Pole-右键-Edit-Boolean-SeparateBodies，之后，Pole就被分割成8个独立的磁极了。按照图12的标注，依次把分离后的模型重新命名。并统一选择8个磁极，右键菜单-Edit-Properties(图13)，将模型的Color选项改为绿色，以便统一。修改后的模型和模型树如图14所示。图11Pole的整体模型图12Pole的分离模型Pole_1Pole_2Pole_3Pole_4Pole_5Pole_6Pole_7Pole_8图13修改磁极的显示颜色图14修改后的模型和模型树9.生成BandBand是旋转运动的分界圆，是旋转电机瞬态分析必不可少的部件。内转子的电机，Band所包围的部件都是旋转的。一般而言，气隙被Band均匀分割成了两层（即Band经过最小气隙的中间位置）。下面介绍具体的操作过程。执行Draw-UserDefinedPrimitive-SysLib-RMxprt-Band，填入以下数据。图15Band模型的信息打开生成的Band1模型的属性框，将其名称改为Band，将模型的透明度Transparent设置为1（图16），即100%透明。最后得到图17所示的Band模型。图16修改Band的属性图17Band的模型10.生成转轴转轴和Band是由同一个RMxprt组件模型生成，Band中也包含转轴的信息，它们的区别只在InfoCore状态字。执行Draw-UserDefinedPrimitive-SysLib-RMxprt-Band，填入以下数据（图18），即可生成转轴模型，将其重命名为Shaft(图19)。图18Shaft模型的信息图19Shaft的模型11.生成内空气包内空气包是在Band之内，包围一部分气隙（这部分气隙往往在磁极与磁极之间的交轴位置，磁密较低）和转子铁心和转轴，以及所有转子磁极。使用内空气包的好处是，可以让交轴气隙的网格，不必划分得像Band那么细密，从而减少计算成本。内空气包与转子铁心是由同一个RMxprt组件模型生成，转子铁心模型中也包含内空气包的信息,可以通过修改转子铁心的状态字InfoCore来生成内空气包。具体的操作是：复制RotorCore来建立一个副本，在模型树的历史记录CreateUserDefinedPart中将该副本的InfoCore改为100。然后打开副本的属性对话框，将名称改为InnerRegion，将模型的透明度Transparent设为1。生成的InnerRegion如图20所示。图20InnerRegion的模型12.生成外空气包外空气包用来覆盖电机外径圆以内，所有未被任何模型所填充的部件，并假定这些未被填充的区域，都是空气材料。执行Draw-UserDefinedPrimitive-SysLib-RMxprt-Band，填入以下数据（图21），即可生成外空气包模型，将其重命名为OuterRegion。然后打开OuterRegion的属性对话框，将模型的透明度Transparent设为1。生成的OuterRegion如图22所示。图21OuterRegion模型的信息图22OuterRegion的模型13.生成定子槽内的“低网格区域”由于空气的相对磁导率较低，为了精确计算齿槽转矩，空气材料的的网格要求要划分得足够细密。但是，定子槽也是空气材料，但基本上没有磁场经过槽内，如果也划分上细密的网格，计算成本过高，计算速度也很慢。因此把这部分区域单独生成出来，作为覆盖层模型，以便单独划分网格，并降低网格密度。具体的操作是，生成一个恰好包含槽内区间的圆环，用这个圆环与定子铁心进行布尔运算相减，就能生成槽内区域了。画槽内区域模型的过程是：1）画半径是63mm的圆Circle1；2）画半径刚好到达内槽口的圆Circle2（半径约36.54mm）；3）从模型树中，同时选择Circle1和Circle2–右键-Edit-Boolean-Substract4）在弹出的对话框中（图23），让Circle1位于BlankParts栏，Circle2位于ToolParts栏，而Clonetoolobjectsbeforeoperation不选(即不保留用于裁剪的模型Circle2，如果选上这项，那么Circle2在修剪后仍存在)。图23布尔运算Substract的对话框5）确定后，即得到图24所示的圆环，圆环的名称仍然是Circle1。图24包括槽内区域的圆环6）用Circle1和StatorCore进行与3)和4)相似的Substract布尔运算，让Circle1位于BlankParts栏，StatorCore位于ToolParts栏，而Clonetoolobjectsbeforeoperation需要选上，以确保StatorCore不会因为运算而丢失（图25）。图25布尔运算Substract的对话框7）确认后，即可得到的槽内“低网格区域”。在该模型的属性对话框中，将其名称改为Slots，透明度改为1，如图26所示。图26Slots的模型至此，原始模型的绘制工作就完成了。二、定义材料1.激活RMxprt材料库默认情况下，Maxwell2D是不包含RMxprt中的DW系列硅钢片等材料的，需要手动设置。执行Tools-ConfigureLibraries，将AvailableLibraries栏中的RMxprt添加到ConfiguredLibraries中，点击确定。（图27）图27激活RMxprt材料库2.设置材料举例说明永磁体材料的定义。1）选择[Pole1~Pole8]-右键-AssignMaterial…，得到图28所示的对话框。在右上角选择Showalllibraries.2）在对话框中，点击AddMaterial…按钮，得到图29所示的对话框。3）在对话框中的MaterialName中输入N35SH,“CalculatePropertiesfor：”的下拉菜单选择PermanetMagnet.得到图30所示的对话框。图28材料对话框图29添加新材料的对话框图30定义永磁材料的对话框4）在图30的对话框中需要输入永磁材料的磁导率Mu，矫顽力Hc，剩磁磁密Br三项中的两项，另外一项自动计算。按照图30中的数值输入后，依次确认，就生成了新的材料N35SH。（注：矫顽力都是负值，并注意单位）5）在图28中，选定新定义的N35SH，并点击确定，永磁体的材料就设置好了。在模型树中的Sheets下，会出现N35SH的层叠目录，永磁体Pole1~Pole8都被归纳到它的子层。（图31）图31模型树的变化其他材料不需要自己定义，可依次选择模型-右键-AssignMaterial…，从图28中依次选择材料。各模型对应的材料如表1所示。按照表1设置好后，模型树变成如图32所示。表1各模型对应材料的列表Band,OuterRegion,InnerRegion,SlotsairStatorCore,RotorCorePole1,..,Pole8ShaftDW310_35N35SHsteel_stainless图32模型树的变化3.定义永磁体的充磁方向1）切换到柱坐标系参照图12的顺序，假设第一块永磁体的磁场方向是向外的，则各块永磁体的充磁方向角度为：Pole_i的充磁角度=180/8+(360/8+180)*(i-1)(*1)其中，Pole_i代表第i块永磁体。为了简便建立相对坐标系，以直接输入充磁角度，先切换到柱坐标系（极坐标系）。执行View-GridSettings，如图33所示，将Gridtype设置为Polar。点击确定就切换到柱坐标了