ANSYS低频电磁场的场路耦合分析应用实例8.docx

ANSYS低频电磁场的场路耦合分析应用实例8.docx

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ANSYS低频电磁场的场路耦合分析应用实例8

ANSYS低频电磁场的场路耦合分析使用实例.txt生活是过出来的，不是想出来的。

放得下的是曾经，放不下的是记忆。

无论我在哪里，我离你都只有一转身的距离。

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使用实例

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使用技巧，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和电路的联接：

电路供电绞线圈和电路供电块导体。

在二维状态下，场分析中和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和上面两种形式对应，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和场单元的一致、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，其两个和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：

如何实现场模型和路模型的联接。

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使用实例

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）。

这种现代计算方法和经典计算方法的结合、场分析方法和路分析方法的结合，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

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两极三相感应电机启动状态场路耦合电磁场分析程序

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（第一段程序）!

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本段程序的目的!

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1输入电机各参数!

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2建立电机几何模型!

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3划分场分析部分的网格!

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（场路耦合分析的电路连接部分由后面一段程序完成）!

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（单纯的场分析用此段程序即可完成全面的建模任务）!

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finish

/clear

/uis,msgpop,3

/prep7

csys,0

btol,1e-10

*afun,deg

multipro,'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

!

（如果采用和前面一样的方式,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）

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sr_ci=4.8/2/1000!

槽绝缘厚度

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!

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

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!

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

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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,,31.85,0.1

tbpt,,45.28,0.2

tbpt,,55.73,0.3

tbpt,,64.49,0.4

tbpt,,72.45,0.5

tbpt,,76.83,0.6

tbpt,,79.62,0.7

tbpt,,87.58,0.8

tbpt,,104.3,0.9

tbpt,,121.0,1.0

tbpt,,143.3,1.1

tbpt,,189.5,1.2

tbpt,,262.7,1.3

tbpt,,429.9,1.4

tbpt,,995.2,1.5

tbpt,,2547.8,1.6

tbpt,,5095.5,1.7

tbpt,,7643.3,1.78

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建立几何模型

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（建立几何模型时,充分考虑了如下因素:

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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（尤其是定子和转子间的气隙处,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

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气隙附近的网格密度分布）

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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）

!

!

说明:

由于考虑到电机外壳的漏磁很小,无需建立电机外壳外面的空气单元,

!

也无需建立远场吸收单元来考虑电机外壳漏磁

!

!

建立定子几何模型

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xo=sqrt（r2**2-（ss_w/2）**2）

wpave,xo

blc4,,-ss_w/2,ss_h,ss_w

blc4,ss_h-ss_ci,ss_w/2,-ss_ch,-ss_w

blc4,ss_h-ss_ch-ss_ci*2,ss_w/2,-ss_ch,-ss_w

blc4,ss_h,ss_cw/2,-（ss_ch*2+ss_ci*2）,-ss_cw

asel,s,loc,x,r2,r2+ss_h

csys,1

lsel,s,loc,x,r1-delta,r1+delta

asll,a

lsel,all

aovlap,all

asel,s,loc,x,xo,r2

adele,all,,,1

asel,s,loc,x,r2,r2+ss_h

lsla

lsel,r,loc,x,r2-delta,r2+delta

lcomb,all

lsel,s,loc,x,r1-delta,r1+delta

asll

lsla

lsel,r,loc,x,r2-delta,r2+delta

lcomb,all

allsel

asel,s,loc,x,r2,r2+ss_h

!

!

（下面这种常用的方式运行时间较长,约几分钟）

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agen,nslots,all,,,,360/nslots

!

lsel,s,loc,x,r1-delta,r1+delta

!

asll,a

!

aovlap,all

!

!

（改用如下方式,虽然程序较长,但运行时间只有几秒!

转子建模和此相同）

!

cm,aa1,area

agen,2,all

cmsel,u,aa1

aadd,all

agen,nslots,all,,,,360/nslots

cm,aa2,area

lsel,s,loc,x,r1-delta,r1+delta

asll

cm,aa3,area

cmsel,a,aa2

allsel,below,area

asba,aa3,aa2

cm,aa3,area

cmsel,s,aa1

agen,nslots,all,,,,360/nslots

cmsel,a,aa3

allsel,below,area

nummrg,kp

!

!

建立转子几何模型

!

csys,0

xo=sqrt（r3**2-（sr_w1/2）**2）

wpave,xo

blc4,,sr_w1/2,-sr_h1,-sr_w1

xo=xo-sr_h1

wpave,xo

blc4,,sr_w2/2,-sr_h2,-sr_w2

asel,s,loc,x,xo-sr_h2,xo+sr_h1

asel,r,loc,y,-sr_w2/2,sr_w2/2

allsel,below,area

aglue,all

x1=xo

y1=sr_w2/2

z1=0

nk=kp（x1,y1,z1）

kmodif,nk,x1-（sr_w2/2-sr_w1/2）,y1,z1

y1=-sr_w2/2

nk=kp（x1,y1,z1）

kmodif,nk,x1-（sr_w2/2-sr_w1/2）,y1,z1

xo=xo-sr_h2

wpave,xo

blc4,,sr_w31/2,-sr_h3,-sr_w31

x1=xo-sr_h3

y1=sr_w31/2

z1=0

nk=kp（x1,y1,z1）

kmodif,nk,x1,y1-（sr_w31/2-sr_w32/2）,z1

y1=-sr_w31/2

nk=kp（x1,y1,z1）

kmodif,nk,x1,y1+（sr_w31/2-sr_w32/2）,z1

asel,a,area,,2

allsel,below,area

aovlap,all

asel,s,loc,x,xo-sr_h3,xo+sr_h2

asel,s,loc,x,r3-（sr_h1+sr_h2+sr_h3）,r3-sr_h1

asel,r,loc,y,-sr_w31/2,sr_w31/2

allsel,below,area

aadd,all

asel,s,loc,x,r3-（sr_h1+sr_h2+sr_h3）,r3

asel,r,loc,y,-sr_w31/2,sr_w31/2

cm,aa1,area

lsla

csys,1

lsel,r,loc,x,r3-delta,r3+delta

*get,nl,line,,count

*if,nl,eq,2,then

lcomb,all

*endif

cm,ll1,line

allsel,below,area

lsel,s,loc,x,r3-delta,r3+delta

cmsel,u,ll1

lcomb,all

cmsel,s,aa1

agen,2,all

cmsel,u,aa1

aadd,all

agen,nslotr,all,,,,360/nslotr

cm,aa2,area

lsel,s,loc,x,r3-delta,r3+delta

asll

cmsel,u,aa1

cmsel,u,aa2

cm,aa3,area

cmsel,a,aa2

allsel,below,area

asba,aa3,aa2

cm,aa3,area

cmsel,s,aa1

agen,nslotr,all,,,,360/nslotr

cmsel,a,aa3

allsel,below,area

nummrg,kp

wpave,0,0,0

!

!

创建气隙圆环面

!

allsel

nummrg,kp

numcmp,kp

numcmp,line

numcmp,area

*get,na,area,,count

csys,1

lsel,s,loc,x,r3-delta,r3+delta

al,all

lsel,s,loc,x,r2-delta,r2+delta

al,all

asba,na+2,na+1

allsel

lplot

!

!

切割气隙圆环,以便于保证气隙厚度上的网格数

!

csys,1

ksel,s,loc,x,r3-delta,r3+delta

*get,nk3,kp,,count

*get,nk3min,kp,,num,min

cm,kk3,kp

ksel,s,loc,x,r2-delta,r2+delta

*get,nk2,kp,,count

*get,nk2min,kp,,num,min

cm,kk2,kp

cmsel,a,kk3

cm,kk23,kp

!

（先连接圆环内近似径向的线,以免生成短线）

da=gap/（2*3.1416*r3）*360/3!

和气隙尺寸相关的一个小角度

lsel,s,loc,x,r2-delta,r2+delta

lsel,a,loc,x,r3-delta,r3+delta

*get,nl32,line,,count

*get,nl32min,line,,num,min

dsys,1

*do,i,1,nl32

da1=abs（ly（nl32min,0）-ly（nl32min,1））/3!

和最短线相关的一个小角度

*if,da1,lt,da,then

da=da1

*endif

nl32min=lsnext（nl32min）

*enddo

*do,i,1,nk3

cmsel,s,kk3

ynk3=ky（nk3min）

nk2min1=nk2min

*do,j,1,nk2

cmsel,s,kk23

ynk2=ky（nk2min1）

da32=abs（ynk3-ynk2）

*if,da32,le,da,then

lstr,nk3min,nk2min1

*endif

cmsel,s,kk2

nk2min1=kpnext（nk2min1）

*enddo

cmsel,s,kk3

nk3min=kpnext（nk3min）

*enddo

!

（创建其它径向切割线）

lsel,s,loc,x,r3+delta,r2-delta

ksll

cm,kk4,kp

cmsel,s,kk2

cmsel,u,kk4

*get,nk2,kp,,count

*get,nk2min,kp,,num,min

cm,kk2,kp

cmsel,s,kk3

cmsel,u,kk4

*get,nk3,kp,,count

*get,nk3min,kp,,num,min

cm,kk3,kp

csys,1

dsys,1

allsel

numcmp,kp

numcmp,line

numcmp,area

*get,nkmax,kp,,num,max

cmsel,s,kk2

*do,i,1,nk2

ynk2=ky（nk2min）

k,nkmax+i,r3-delta,ynk2,0

lstr,nkmax+i,nk2min

cmsel,s,kk2

nk2min=kpnext（nk2min）

*enddo

allsel

numcmp,kp

numcmp,line

numcmp,area

*get,nkmax,kp,,num,max

cmsel,s,kk3

*do,i,1,nk3

ynk3=ky（nk3min）

k,nkmax+i,r2+delta,ynk3,0

lstr,nkmax+i,nk3min

cmsel,s,kk3

nk3min=kpnext（nk3min）

*enddo

!

（完成切割）

lsel,s,loc,x,r2-delta,r2+delta

lsel,a,loc,x,r3-delta,r3+delta

asll,s,1

lsel,s,loc,x,r3+delta,r2-delta

asbl,all,all

!

!

创建转子轴向孔

!

csys,1

dsys,0

xo=rhole

yo=360/（2*nslotr）

zo=0

wpave,xo,yo,zo

cyl4,,,rh,0,,90

cyl4,,,rh,90,,180

cyl4,,,rh,180,,270

cyl4,,,rh,270,,360

ksel,s,loc,x,x