基于ANSYS的开关磁阻电动机径向力计算及二次开发图文.docx
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基于ANSYS的开关磁阻电动机径向力计算及二次开发图文
中图分类号:
TM351 文献标识码:
A 文章编号:
100126848（20070920023203
基于ANSYS的开关磁阻电动机径向力计算及二次开发
沈 磊,吴建华
（浙江大学电气工程学院,杭州 310012
摘 要:
针对开关磁阻电动机双凸极结构的特点,系统阐述了用Ansys对电动机进行有限元分析的前处理、求解和后处理以及二次开发的关键步骤;给出了Ansys下磁阻电动机径向力和转矩的计算方法,分析了不同的定转子极弧角度对电机径向力和转矩特性的影响。
通过二次开发,为该型电动机的优化设计打下了良好基础。
关键词:
开关磁阻电动机;Ansys;径向力;二次开发;有限元分析
RadialForceComputationofSRMotoranditsSecondDevelopmentBasedonANSYS
SHENLei,WUJian2hua
（CollegeofElectricalengineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China
ABSTRACT:
Duetothedouble2salientstructureofSRmotor,thispaperillustratesthekeyprocedureontheseconddevelopmentinfiniteelementmethod（FEManalysisofSRmotorbasedonAnsys,in2cludingpreprocess,solveandpostprocess,thecomputationmethodofSRmotorradialforceandtorquewithAnsysisgiven,inadditionitanalysestheinfluenceofdifferentstatorpoleangleanddifferentrotorpoleangleonradialforceandtorquecharacterofSRmotor.
KEYWORDS:
Switchedreluctancemotor;Ansys;Radialforce;Seconddevelopment;FEM
收稿日期:
2006209228
0 引 言
开关磁阻电机（简称SR电机具有结构简单、工作可靠、调速范围宽、起动转矩大等优点,但转矩波动和噪声偏大,影响了其应用领域的拓展。
要有效抑制SR电机转矩波动和噪声,必须系统计算和分析其径向力和转矩特性。
由于SR电机的双凸极结构特点,运行时的开关性以及磁路的非线性,采用有限元分析是一种有效方法。
SR电机磁路随转子位置变化而改变,导致每一位置磁场分析都需要重新建模,数据准备和求解工作量大,宜自动建模分析。
Ansys软件是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序,支持各种电磁场问题的分析,计算结果较准确,在电机研究等领域得到广泛应用。
更重要的Ansys提供APDL语言,支持二次开发。
通过对Ansys的二次开发,可根据所要分析的问题设置参数,实现分析过程的自动计算,减少使用者的重复工作,为电机性能计算和
优化奠定良好的基础。
R1Arumugam在对SR电机进行二维有限元分析方面作了理论性的研究,并计算出了磁化特性曲线
[1]
。
文献[2]给出了在An2
sys环境下计算并显示电机磁通线图和磁通密度云
图的方法。
本文进一步阐述了用Ansys对开关磁阻电机进行前处理、求解及后处理进行二次开发的关键步骤,给出了Ansys下开关磁阻电机径向力和转矩的计算方法,并对不同的定、转子极弧角度对径向力和转矩的影响进行了分析。
1 径向力和转矩计算
SR电机径向力的计算可以通过磁场储能或磁
共能对电机径向取导而得。
磁共能W为:
W=∫
i
Ψ（i,θ
di（1
式中,i为相电流,θ为转子角度。
径向力为:
f=
9W
9x
i=const
（2
式中,x为电机的径向位移。
电磁转矩为:
—
32—
T=9W
9θi=const
（3
式（1~式（3宜采用有限元法求解。
2 用Ansys计算SR电机径向力和
转矩
211 APDL语言有限元分析二次开发
由于SR电机双凸极结构的特点,本文采用APDL语言对Ansys进行二次开发,以实现SR电机自动有限元分析。
计算时采用矢量磁位,并做如下假设:
（1忽略电机端部磁场效应,磁场沿轴向均匀分布,即电流密度矢量和矢量磁位只有轴向分量。
（2铁心冲片材料各向同性。
APDL是Ansys特有的参数化设计语言,可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。
它提供一般程序语言的功能,如,参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问Ansys数据库等。
在对SR电机建模时所需的主要命令如表1。
表1 建模基本命令
命令功能举例
K定义关键点K,1,3,4在（3,4处定义一
个标号为1的关键点。
LSTR用直线联结
两个关键点
LSTR,1,2把1,2关键点用直
线联结。
LARC用圆弧联结
两个关键点
LARC,2,3,6,7以6为圆心7
为半径的圆弧连接关键点2、3。
LGEN用几条线生
成新的线
LGEN,5,2,4,1,3沿X轴方
向每隔3个单位重复生成由线段
2到4构成的图形,共进行5次。
AL通过已定义
的边界线生
成一个面
AL,1,2,3生成由1,2,3号
线段围成的面域。
CYL4在工作平面
上生成圆面
CYL,0,0,5生成以（0,0为
圆心,5为半径的圆面。
以8/6极SR电机为例,采用APDL进行有限元分析的二次开发基本流程如下:
（1建立一个极的关键点:
使用K命令生成关键点,参见图1中的点1、2等。
（2连线:
用LSTR、LARC命令将关键点用直线或弧线连接起来,参见图1中线L1、L2等。
（3旋转复制图形:
使用LGEN命令,将步骤（2生成的图形旋转复制。
（4生成面域:
分别选中转子极线段和定子极线段,使用AL命令生成转子和气隙面域,使用CYL4命令以定子外径和转子轴径生成圆域。
（5面域叠加:
上述步骤生成的各面域相互独立,最后必须用AOVLAP命令将各独立面域叠加,生成求解模型,见图2。
（6剖分:
使用SMRT设置智能剖分的精度,然后用AMESH对模型进行剖分。
（7施加边界条件和励磁:
利用BFA对图中的绕组部分施加电流密度,选中定子外围节点,
施加边界条件Az=0。
Maxwell边界条件的施加参见212节。
（8求解:
使用eqslv,front,,0选择波前法,然后用MAGSOLV求解该电磁场问题。
图1 一个极下的模型
图2 SR电机最终求解模型
212 径向力和转矩计算
（1径向力计算
在Ansys中,用虚位移法来计算电磁力。
计算径向力时,先施加虚功位移标记。
所计算的部分周围至少要包围着一层空气。
选择图3中粗线所代表的节点,把虚功位移标记（MVDI=1施加给这些节点。
在求解时,系统会计算Maxwell力,并把它储存在周围的空气单元中。
在后处理中,使用ETABLE,FVWX,NMISC,3和SSUM得到径向力结果。
（2转矩计算
在计算转矩之前,需要使用FMAGBC对所计算的元件加Maxwell标记和虚功标记,所计算的元
—
4
2
—
件周围至少要包围着一层空气。
一般把转子的外边用FMAGBC施加标记,然后使用TORQSUM计算转矩
。
图3 施加Maxwell标记的位置
213 VB调用Ansys
为便于应用,采用VB自动生成APDL程序,并调用Ansys求解。
APDL程序可分为两部分:
参数部分,随电机结构参数变化而改变,由VB生成;分析部分,预先编制且无须改变。
两部分连接构成最终的程序。
在VB中调用Ansys本质上是启动一个新的进程,可以使用CREATEPROCESS,SHELL,SHEL2LEXECUTE,WINEXEC等函数从VB中启动一个
新的程序。
以WINEXEC为例,VB调用ANSYS（版
本1010的方法如下:
ansysPro=m_FilePath+“\ansys100-b-pane3fl-idata.
dat-osrm1out”
retval=WinExec（ansysPro,0
m_FilePath为Ansys100所在路径。
由于WINEXEC
在调用的程序结束后才返回,因此不用其他附加的代码来判断程序是否结束。
VB与Ansys进行数据交换是通过对文件读写
实现。
3 计算实例
下面以一台715kW、8/6极SR电机为例,利用二次开发的APDL程序,计算了SR电机的径向力特性和转矩特性。
由于建模、剖分、求解和后处理整个过程均自动完成,不同转子位置和不同
电流的磁场分析变得非常轻松。
图4（a为径向力特性,图4（b为转矩特性。
由于SR电机的定、转子极弧角对性能有很大的影响,本文进一步分析了不同极弧角度对径向力特性和转矩特性的影响。
图5为相电流30A,转
子极弧不变（23°
不同定子极弧角度下的径向力特性和转矩特性。
图6为相电流30A,
定子极弧不变
图4 不同转子位置和电流下的径向力特性和转矩特性
（21°,不同转子极弧角度下的径向力特性和转矩特
性。
可以看出在两种情况下,转矩特性曲线都随着极弧的减小而发生曲线右移。
这是由于在这两种情况下临界重叠角都会减小的缘故。
径向力随着极弧的减小而减小,在定子极弧不变、转子极弧为17°时和转子极弧不变、定子极弧为17°时,由于过度饱和,径向力在对齐位置时,
下降较多。
图5 转子不变,不同定子极弧角度下
的径向力特性和转矩特性
图6 定子不变,不同转子极弧角度下
的径向力特性和转矩特性
4 结 语
针对开关磁阻电机非线性、解析计算困难的特点,本文阐述了用Ansys对开关磁阻电机进行前处理、求解、后处理及用VB进行二次开发的关键方法,给出了径向力和转矩的计算方法,讨论了不同的定、转子极弧对电机径向力和转矩的影响。
利用本文提出的方法能够迅速计算出SR电机的径
（下转第32页
—
52—
（1磁通量:
<=2μ0SN0
（3式中,<为磁通量;μ0为空气磁导率;S为气隙处
导磁面积（cm2
;N0为电磁推力（N,考虑动子运
动时的摩擦等机械阻力,应在制动器弹簧压力的基础上乘一安全系数。
（2导磁体中磁压降
气隙中磁压降:
Fδ=018×
δ<
S
（4
式中,δ为气隙（cm。
磁密:
Bi=
<
Si
（5
式中,Bi为每段导磁体磁密;Si为每段导磁体的
截面积（cm2
。
由Bi根据材料的磁化曲线查出对应的磁场强度Hi。
导磁体中磁压降:
Fc=∑6
1
HiLi（6
式中,Li为每段导磁体长度（cm;Hi为每段磁路
上的磁场强度（A/cm。
总磁压降:
F=Fδ+Fc
（7
（3线圈设计
由电磁铁的额定电压和额定电流可求得线圈电阻R。
电磁铁工作电流:
I1=
nU
R
（8
式中,n为安全系数,考虑到电磁铁设定电压达到额定电压的60%~70%时,电磁铁能产生足够的吸力,以克服弹簧力、机械阻力及温升等影响,n取016~017。
根据总磁压降等于安匝数,计算出线圈匝数
W=
F
I1
（9
最后可确定线圈导体的直径,设计出电磁铁
的线圈结构。
3 结 语
经过几个批次的生产及对该制动器的性能检
测和环境试验,各项指标均满足要求。
该项目完成后,顺利地通过了国家有关部委的评审验收,并获得了较高评价。
研制的制动器主要指标为:
外径<40mm,额定电压（DC27V,电流0186A,制动转矩大于117N・m。
参考文献
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机械工业出版社,1991.[2] 何德誉.曲柄压力机[M].北京:
机械工业出版社,1981.[3] 吴恒颛.电机常用材料手册[M].陕西:
陕西科学技术出版
社,2001.
[4] 夏天伟,丁明道.电器学[M].北京:
机械工业出版
社,2004.
作者简介:
龚园丁（1961-,男,高级工程师,从事微特电机工艺技术研究。
（上接第25页
向力和转矩,利用所得数据可以进行电机的非线性仿真,并为SR电机的优化设计和抑制噪声振动打下良好基础。
参考文献
[1] ArumugamR,LowtherDA,KrishnanR,etal.MagneticField
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[6] 龚曙光,谢桂兰.Ansys操作命令与参数化编程[M].北京:
机械工业出版社,2004.
作者简介:
沈 磊（1985-,男,黑龙江省穆棱市人,从事电机计算机辅助设计、仿真和优化研究工作。
吴建华（1963-,男,教授,从事电机设计方面的研究与教学工作。
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