轴向磁场永磁同步发电机的三维电磁场计算.docx
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轴向磁场永磁同步发电机的三维电磁场计算
轴向磁场永磁同步发电机的三维电磁场计算
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本文介绍了一种新型磁极形状的轴向磁场永磁同步发电机,应用大型有限元软件ANSYS的电磁模块对其进行三维静磁场和空载工况分析,从而取得该电机磁场散布和空载反电势波形,并对磁极形状进行优化设计,取得正弦度高的空载反电势波形。
最终对样机进行实验,实验结果充分证明了该样机设计方式的正确性和三维电磁场计算具有较高的精度。
1引言
随着电机技术的进展,人们慢慢熟悉到了一般圆柱式电机存在着一些自身结构无法克服的弱点,如电机冷却困难、铁心利用率低等问题。
因此,轴向磁场永磁电机慢慢受到了电机界的重视。
轴向磁场永磁电机有效地利用定子铁心内径到转轴的空间,从而大幅缩短传统电机绕组端部的轴向尺寸,转矩密度可提高20%左右。
轴向磁场永磁电机的结构和传统电机有很大的区别,其显著特点是定子和转子是环型结构,电枢绕组的有效导体在空间呈径向辐射分布,线负荷随着半径的增加而减小;磁路的饱和程度也不一样,在内圆附近是齿饱和,而在外圆附近是轭饱和。
轴向磁场永磁电机内部介质交界面曲直交错,各部件材料的磁性能各异,这些特点都给电机的设计带来困难,其磁场分布严格来讲是三维的,需通过求解三维场的方法来精确计算磁场的分布。
本文应用大型有限元分析软件ANSYS的电磁模块对轴向磁场永磁发电机进行三维静磁场和空载工况分析,从而得到该电机的磁场分布和空载工况的性能计算结果,并对磁极形状进行优化设计,最终得到正弦度高的空载反电势波形。
2电机结构和运行原理
文中的轴向磁场永磁发电机选用由双转子和单定子组成的中间定子结构,如图1所示,有文献称其为TORUS-NN型结构。
该结构的磁路形式为双侧转子的磁钢是按同极性的顺序排列的,即N极对N极,S极对S极。
图1中亦给出了该种磁路形式的磁通途径的示用意,磁通由N极通过气隙进入定子齿部和轭部,在定子轭中沿周向流通,然后经同侧S极返回,磁场关于定子轴向中间平面对称。
定子绕组围绕于铁心上,称为背靠背(backtoback)连接的环行绕组,如图2所示。
图1TORUS-NN型轴向磁场电机
图2环行绕组形式
3三维电磁场数值计算
最近几年来得益于运算机硬件和软件的飞速进展,运算机内存容量不断增大,计算速度不断提高,软件功能不断壮大,计算方式不断改良,再加上并行运算机的利用,使得咱们能解决规模愈来愈大的电磁问题,计算能力有了飞跃的提高。
最近国内外对轴向磁场电机电磁场的研究慢慢开展起来,三维有限元法己经被普遍应用到其磁场分析计算中,这为研制出性能加倍优越的轴向磁场永磁电机开辟了道路。
本文旨在应用三维电磁场优化设计方式取得新的磁极形状,从而取得正弦度高的空载气隙磁密和反电势波形,而且进行电机空载工况三维磁场分析。
轴向磁场永磁同步发电机的数学模型
关于永磁电机的空载工况因求解区域不存在电流,依据恒定磁场下的麦克斯韦微分方程组,轴向磁场永磁发电机内的电磁场能够依照恒定磁场处置,其磁场问题的数学形式可用如下的标量磁位拉普拉斯方程来描述。
式中,Ω——电机的三维求解域;
S1——第一类边界条件,取电机外必然距离的空间某处的标量磁位等于零;
S2——第二类边界条件,取电机三维求解区域中处磁极中性面之外的表面。
ANSYS软件中可使用简化标量势法对上述问题进行分析求解。
简化标量势法(RSP,ReducedScalarPotential)可以用于没有电流存在或者存在电流但没有铁磁材料的区域,非常适用于电机空载工况的磁场分析。
轴向磁场永磁同步发电机有限元模型的成立
众所周知电机的三维电磁场分析将占用庞大的计算资源,因此在能够知足工程计算精度的要求下,合理简化计算模型显得尤其重要。
在ANSYS中利用周期对称边界条件,为电机成立一个磁极范围的模型,利用轴向对称性将一个磁极范围的模型再简化为一半,取得电机八分之一计算模型,从而大幅减少了计算量,缩短了计算时刻和设计周期。
为准确模拟磁场在空气中的衰减,在其径向边界外侧成立了空气模型,包括空气边界的实体模型如图3所示,定、转子铁心和磁极的实体模型如图4所示,从图中能够看出该电机三维模型的复杂程度。
图3样机三维1/8模型
图4三维1/8模型网格划分
电机设计是一个优化设计的进程,需要不断的调整设计参数,进行大量的重复性计算取得最终的设计方案。
APDL(参数化设计语言)是ANSYS中功能壮大二次开发工具,利用它能够完成自动化的工作(循环、分支、宏等结构),可编制出通用性极强的参数化程序,从而实现将参数化智能建模、智能网格剖分、施加载荷、求解和数据与图形后处置的整个进程用参数化程序设计自动完成,从而能够将设计者从繁琐的重复性工作中摆脱出来。
同时ANSYS的开放式平台为设计者的二次开发提供壮大的技术支持,使设计者能够依照自己的需要自由的扩展ANSYS软件的功能。
ANSYS软件的突出优势确实是许诺用户对网格严格掌控,取得高质量的有限元网格,从而实现利用数量少的有限元单元和节点完成高精度的计算,这一点关于大型三维场计算超级重要。
本文采纳映射网格、拉伸和扫掠分网技术,结合对模型径向和轴向网格尺寸的精准操纵和拼接技术,取得轴向磁场永磁同步发电机八分之一模型的网格如图5所示,该网格中几乎所有单元都是六面体,没有退化的三棱柱和四面体单元,从而提高了求解的速度和结果的精度。
图5样机1/8三维有限元网格模型
本文采纳APDL语言进行二次开发,编制了加周期边界条件的算法、宏命令及挪用宏命令时外部参数的传递技术,程序能够自动完成周期对称面上节点位置的判定,节点的选择,自动耦合选出的节点对,大大增加了程序的通用性。
该电机1/8三维模型施加周期边界条件的处置如图6所示。
图61/8三维模型周期边界条件的处置
三维静态磁场分析
对上述轴向磁场永磁同步发电机八分之一模型施加周期边界条件后,利用简化标量势法求解取得静磁场计算结果,图7、8和9别离为该电机定子铁心内径处磁密散布、定子铁心外径处磁密散布、(内径、外径和中径处)气隙磁密波形和转子盘磁密散布。
从图7和8中可见,该电机定子铁心磁路的饱和程度和饱和部位不一样,充分说明了轴向磁场电机在内圆周围是齿饱和而在外圆周围是轭饱和的磁场散布规律。
从图9中咱们得出轴向磁场永磁电机气隙磁密沿径向是转变的,因此必需用三维电磁场计算准确描述其内部电磁规律。
从计算结果可见,咱们能够通过三维电磁场计算来准确取得空载工况电机各部件磁密的散布情形,从而可在设计时期优化各部件的结构尺寸参数,将电机的磁负荷取值在合理的范围内。
图7定子铁心内径处磁密散布
图8定子铁心外径处磁密散布
图9(内径、外径和中径处)气隙磁密波形
磁极形状优化设计
为取得正弦程度高的空载反电动势波形,能够采纳正弦绕组,也能够对磁极形状进行优化设计,使电机空载气隙磁密呈正弦形。
图10为优化前样机三维模型,图11为其气隙磁密波形,可见其气隙磁密近似于平顶波,谐波含量高。
ANSYS软件中的优化方式为咱们提供了一系列的分析——评估——修正的循环进程,结合APDL语言的参数化程序从而自动完成优化设计,把设计者从繁琐的重复性工作中摆脱出来。
图5为样机优化后的三维模型,采纳阶梯状的扇形永磁体,图12为优化后气隙磁密波形,从图中可见气隙磁场波形已经相当接近正弦波。
将图中的气隙磁密波形进行了傅立叶分析,可见阻碍较大的各低次谐波幅值已大大减小,明显的减弱了低次谐波对电机性能的阻碍。
图10优化前样机三维模型
图11优化前气隙磁密波形
图12优化后气隙磁密波形
三维空载工况计算
空载反电势是电机的一个重要指标,通过空载三维电磁场计算咱们能够了解到电机的磁路设计的是不是合理,而且取得电机空载反电势波形,它对电机的动态、稳态性能均有专门大的阻碍。
当电机转子旋转时,永磁磁极产生的磁场是旋转的,与线圈匝链的磁链随转子旋转的位置而转变,从而在线圈中产生感应电动势,那么一匝线圈感应电动势计算公式为:
式中:
θ——转子转过的机械角(弧度),ω——转子机械角速度,φ——与一匝线圈匝链的的磁通,那个地址取绕组所包围的铁心截面中的磁通,建模时成立一薄层铁心。
由上述感应电动势计算公式可知,仅使用静态磁场分析无法计算出空载反电动势。
当电机为匀速旋转时,将转子每次旋转Δθ机械角前后得到的磁通相减求出Δφ,可求出电机空载电动势随转子角的变化曲线。
对该轴向磁场永磁同步发电机,这种动态磁场分析的计算方法使得转子每次旋转Δθ机械角后,存在一个轴向平面和两个径向的圆弧面的定、转子运动气隙边界,对运动气隙边界要进行节点自由度耦合处理。
可见该电机的运动气隙边界比普通径向式结构大为复杂,而且对平面和圆弧面的运动气隙边界,节点自由度耦合时涉及的节点数量巨大,处理数据量也非常大,这里运用转子运动边界虚节点法,并且编制了可直接调用的宏命令。
使用上述方法我们得到空载时三相相反电势波形如图13所示。
图13空载时三相相反电势波形
4实验
在空载实验顶用原动机将样机拖动到额定转速,用示波器检测相反电势波形,图14为实验机组,图15为示波器实测的额定转速时空载工况第一和第四相绕组相反电势波形。
图14实验机组
图15实测空载反电势波形
5结论
咱们对样机的电磁场仿真计算结果和实验结果进行对照,从图13和图15中的电磁场计算和实测的空载相反电势波形可看出仿真计算的误差小于5%,说明仿真计算精度可知足工程设计要求。
从空载相反电势波形能够看出,该电机采纳磁极形状修形后,空载相反电势波形正弦度较好,同时说明利用上述三维电磁场仿真计算方式可设计出知足设计要求的轴向磁场电机。
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