ANSYS在电机设计编程的运用

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1、ANSYS在电机开发中的运用通过实践证明，在很多情况F,采用经典算法设计电机，再通过“打样”进行验证和修改，一般已可以满足设计精度的要求。这是很多工厂的主要设计方法之一。经典设计方法是棊于等效磁路即“场化路”的计算方法。但我们知道，电机设计中的诸多系数,有的是依靠电磁场计算获得，有的则是通过反复实验将数据统计分析得出的，这就决定了设计分析的近似性。实际上，由于电机内的电磁场非常复杂，研发人员往往首先采用很多假设来简化分析条件。例如我们熟知的：先忽略漏磁影响，忽略铁磁材料饱和的彩响，将电枢假设为光滑表面（忽略齿杷

2、的影响），近似认为在每段磁路中磁通沿长度和截血是均匀分布的等等，待完成基本推导后，再利用实验和经验对各系数加以修正。但当面对比较复杂的电机，很多实际情况与假设相差甚远，漏磁路是十分复杂的，漏磁通占的比例通常很大，而铁磁材料一般都比较饱和，磁通分布实际上很不均匀，畸变严重，磁导是非线形的，出于需要，现代电机屮磁极的形状，齿槽分布乂是多样而复杂的……如有广阔应用前景的永磁电机中的永磁体的局部失磁等复杂的电磁过程，经典计算方法已经不能满足需要。必须用到基于“场”的分析和计算方法（数值计算）。本文就是打算推荐在工厂中解

3、决这些问题的一个有效工具。对电机电磁场进行数值计算的原理和方法已，如冇限元法、冇限差分法和边界元法冇大量专著介绍。其中有限元法应用最为广泛，由于计算机的广泛应用，使这一方法有了非常广阔的实用价值,而ANSYS则是功能最强人、最有效的有限元分析专川软件。一ANSYS是将工厂与深奥的电磁场分析连接起来的重要工具电磁场的分析和计算通常归结为微分方程的求解。ANSYS软件缩短了工厂设计与抽象的电磁场理论间的距离，将抽象的物理场将变得可视和肓观，用它强人的功能求解这些复杂的偏微分方程，可直接输出我们需要的结果，ANSYS

4、是在FORTRAN编程语言的基础上形成的，但它使用时却如同解释性语言一样，可以方便地实现人机对话。有其它计算机语言和CAD绘图基础的人则更容易入门，找到分析深奥理论问题的捷径。简单说，我们可以针对要分析的电机，将定了、转了、气隙都按尺寸绘出轮廓（儿何建模），然示将它们的各个部分如线圈、磁极、磁轨、机壳……分别定义它们的材料特性（如电阻率、磁化曲线等），使各部分的模型由儿何体变成由材料组成的物体；然后我们将上述儿何休按一定规则划分成很多网格（网格划分），再通过命令语句对需要的部位加上边界约朿条件，加上绕组中的电流

5、等（加载，成为一•个计算机小的模型电机的静止状态了）；选样适当的运动步长让定转子在气隙中的人为设定的边界上以整数个节点数与定了相对移动（电机旋转）；通过ANSYS给我们预备好的求解器，对网格划分形成的每个节点进行计算分析，就可以较准确地计算岀我们需要的电机的磁场分布、电感、力矩等等。可见ANSYS与我们习惯的计算方法有很人不同，它的实质是通过在计算机中模拟运行电机来求解的。求解过程可分为为三大步骤：前处理——建模与网格划分，加载设置求解，后处理。ANSYS的用途远非限于电磁场分析和计算。事实上，电机的运行处在电

6、、磁、热、流体、力和运动的多种物理场的耦合的复杂过程屮，在与外电路连接后，又受到外部电路的复杂影响。ANSYS正是唯一能够真正多实现电机多物理场耦合的有限元分析工具，借助于ANSYS软件可以建立电机（包括定子、转子、气隙、结构件、绝缘件和外部电路）用于电磁、流体、热、结构分析的统一•的有限元计算模型。通过进行电机磁场分析，计算磁场和磁密分布、矩角特性、电感和感应电势等参数，获得电机电磁力和电磁力矩分布等；并且可以在同一个分析模型上，利用分析得到的电磁发热，将电机的流体一热玄接进行耦合分析，ANSYS可处理热传递

7、的三种基木类型：传导、对流和辐射，由此考核电机的通风冷却效果，并得到电机在一定的冷却风量卜的温度分布、冷却流体速度和压力等;还可以利用以上全部结果对电机进行结构分析，得到在考虑温度和电磁影响下的电机结构件的应力和变形情况，其至同时对电机定子、定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安全性能。木文仅对我们最实用的ANSYS在微电机电磁场分析屮的运用作一些初步介绍，这类资料所见不多，希望本文能起到抛砖引玉的作用。二建模与网格划分在分析物体的物理过程时，最直观的是物体的儿何形状。“建模”就是在ANSYS环

8、境下将电机的几何模型表示出来，再赋予各部件物质的特性。我们遇到最多的电机分析问题集屮丁垂直于电机轴的平面场，电流密度和磁矢位只有轴向分量,因此我们遇到的大多数电机可以简化为二维场的分析，即建立平面模型就可以了（对于需考虑端部效应、边缘效应的电机则应该用三维场分析，需立体建模）。通常将圆柱形电机旋的转轴心与Z坐标璽合（或平行），而取一与其垂直的截面建模（但根据不同情况要分別对待，例如某些