FEM-ACAD上机实验.doc
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有限元及ACAD上机实验
(电气级)
一、最低软件环境
WindowsXP及以上
AnsoftMaxwell、AutoCAD
MicrosoftOffice
二、题目
1、绘制给定的电机二维截面图。
2、完成该电机的电磁场有限元分析。
3、基本假设
u假设为单位电机(轴向长度1m,每相绕组匝数1匝)。
u6/4极、8/6极电机,相对两极正向串联,构成一相,形成两极磁场;12/8极电机,相互垂直四极串联,构成一相,形成四极磁场。
励磁安匝只对一相绕组施加。
u冲片材料DR510-50。
u尺寸单位:
mm。
uSRMx-x-0、-7、-145、-18、-225、-30表示定子极中心线与转子槽中心线的夹角,分别为0度、7度、14.5度、18度、22.5度、30度。
u绕组未给尺寸,可以近似绘制。
三、基本要求
1、提交AutoCAD图。
2、求给定位置磁化曲线,磁链=f(磁势),曲线至少由四个数据点组成;求解磁场分布、气隙磁场波形等。
3、请写出详细实验报告(格式参见附录),并打印上交。
4、提交实验报告电子版、有限元工程文件(不需要包括结果)和AutoCAD文件,请打包压缩成一个文档,以学号+姓名为文件名,上传至FTP。
5、时间期限:
考试3周前上交。
实验名称
一.题目
1、绘制给定的电机二维截面图。
2、完成该电机的电磁场有限元分析。
3、基本假设
u假设为单位电机(轴向长度1m,每相绕组匝数1匝)。
u6/4极、8/6极电机,相对两极正向串联,构成一相,形成两极磁场;12/8极电机,相互垂直四极串联,构成一相,形成四极磁场。
励磁安匝只对一相绕组施加。
u冲片材料DR510-50。
u尺寸单位:
mm。
uSRMx-x-0、-7、-145、-18、-225、-30表示定子极中心线与转子槽中心线的夹角,分别为0度、7度、14.5度、18度、22.5度、30度。
u绕组未给尺寸,可以近似绘制。
二.环境
Windous10系统、autoCAD2010、ANSOFTMaxwell15.0(32-bit)
三.实验数据、结果分析
1.AutoCAD建模
(1)首先绘制6个圆,圆心在原点(0,0)处,直径分别为26、47、64、64.5、100、120。
(2)然后根据转子的示意图以及尺寸标注,利用直线功能固定角度以及长度,画出电枢的大致图像,这里画直线的时候可以将长度延长,之后用修剪的功能将多余部分减去即可。
(3)根据直尺以及半圆仪测量,可以大致得出每一圈励磁绕组的大致位置,利用绘制矩形功能首先确定一个矩形的位置,然后根据镜像、旋转等功能,完成完整的电机图形的建模工作。
具体建模图形如下图所示:
2.导入ANSOFTMaxwell
(1)图形转化为面域:
在绘制完整的CAD图形工作完成之后,图形每一个部分都是分开的曲线或线段。
此时点击“绘图”中的“面域功能”,全选模型,按回车键,将所绘制的模型转换为面域。
通过鼠标移动、删除、Undo来检查模型的正确性。
(2)输出sat文件:
点击文件里的输出,并找到sat格式,输出保存到电脑。
(3)打开Maxwell,点击Project里面的InsertMaxwell2DDesign,新建一个Project,然后点击Modeler里面的Import,找到输出的sat文件,即可输入有限元模型。
3.分析前Maxwell处理
(1)将相同颜色的面域合并在一起,对面域命名,并且上色。
多选面域的时候,按住ctrl键,选中之后点击菜单栏的Modeler——boolean——Unite,即可合并为一个面域。
(2)建立冲片材料的B-H曲线
先用记事本将磁化曲线的数据输进去,保存为.bh格式
鼠标右键点击Materials,选择EditLibrary,打开材料库,点击AddMaterial
在相对磁导率类型下拉列表选择“Nonclear”,然后点击Value当中的“B-Hcurve”按钮
点击ImportDataset,将.bh文件打开,观察曲线如果没有问题,点击OK确定。
将材料名称改为DR510-50。
点击“ValidateMaterial”验证,点击“OK”保存,完成冲片材料的建立。
(3)施加材料
选中面域,右键点击添加材料“AssignMaterial”,最终结果如下图所示:
(4)施加边界条件
将下图中的选择模式从Object改为Edge,然后选中最外层极联颚外边,右击,在弹出的菜单中选择AssignBoundary——VectorPotential,施加第一类边界调节A=0
(5)添加励磁
将选择模式还原为“Object”,然后选中需要添加励磁的绕组,右键,选择AssignExcitation——Current,定义垂直直面向外为负,垂直纸面向里为正。
如下图所示:
由于四相绕组的励磁情况相同,所以先暂定其他绕组的励磁电流均为0,只研究A相绕组增加励磁时的情况
(6)设置求解参数——转矩计算
选中转子的面域,右击parameters并选中Torque,点击“OK”即可。
(7)设置求解参数——电感计算
选中线圈,右击parameters并选中Matrix,设置电流进出方向如下图所示,每个线圈要设置为一进一出。
(8)设置剖分参数:
此处不需要手动设置,软件已经可以自动将模型剖分
(9)设置求解参数
右击“Analysis”,然后选择“AddSolutionSetup”,新建一个求解,然后将收敛误差减小到0.5,再按“Enter键”,就可以创建一个分析。
需要注意的是,改变完收敛误差参数后,选项框并没有选项可以让你确定创立分析,这时只能按“Enter”键来实现创立。
(10)在模型中画一个直线、圆弧或者圆,在以后的分析中将会用到。
(11)右击Setup2,选择Analyze,求解模型
4.分析后Maxwell处理
(1)查看剖分图
全选整个模型,右键FieldOverlays,然后选中PlotMesh,点击“Done”选项即可。
(2)查看磁力线分布图
全选整个模型,右键FieldOverlays——A——Flux_lines,然后设置如下
如果磁力线太稀疏,可以右键A,选择“ModifyAttributes”选择“Scale”,将线段改为40段,点击“Saveasdefault”,然后点击Apply。
(3)查看磁密分布图
全选整个模型,右击FieldOverlays——B——Mab_B,如下图所示
(4)查看磁密曲线
右击results——createfieldsreport——rectangularplot,在选项卡中的Geometry选择创建的线段、圆弧或圆,Category选择calculatorexpressions,Quantity选择Mag_B,Function中选择none,然后点击newreport,显示出沿着圆弧的气隙磁密分布图。
(5)查看气隙磁场波形
点击菜单栏中Maxwell2D——Fields——Calculator,然后出现下面的选项框
在Quantity中选择B,在UnitVec中选择Normal,点击Dot点运算,点击Add取名保存变量,例如BB,之后与查看气隙磁密步骤相同,只不过将Mag_B改为BB。
(6)查看计算转矩、磁链和电感
鼠标右击Analysis的Setup,在弹出的菜单选择“Solutions”,即可查看当前方案的计算结果
(7)查看磁化曲线
右击励磁绕组,点击Properties,然后将励磁绕组电流数值改为参数ff。
右击Optimetrics,选择add,选中parametric
点击Add,填写起始值和最终值,然后点击add。
点击“OK后”,选择“option”,将SaveFieldsandMesh勾选上,然后单击确定。
右键ParametricSetup1,选择Analyze,等待软件运算完成(时间较长)
右击results——CreateMagnetostaticReport——RectangularPlot。
将PrimarySweep改为ff,Category选择MagFlux,Quantity选择Matrix1.Magflux(Ain),Function选择none,点击newreport,即可生成磁化曲线。
(8)参数化分析不同转子位置的转矩
选中转子,然后点击上方菜单edit——arrange——Rotate
将90rad改为变量名angle1,点击OK
之后的步骤与求取磁化电流的方法相同。
四.实验结果分析
1.剖分图
可以看出,在励磁绕组的定转子齿部,剖分线较为密集,密度较大,在其他无励磁绕组以及定转子鄂部中定转子剖分密度较小,磁场分布较为均匀,并且剖分线由里向外逐渐从密集转为稀疏。
2.磁力线分布图
磁力线分布图中显示出磁力线是从一段定子齿部开始触犯,通过气隙到达转子齿,然后沿着弯曲的转子鄂部到达另一极下的转子齿,然后继续通过气隙到达另一极的定子齿,最后磁力线沿着定子鄂回到了原来的定子齿部。
磁力线穿过气隙的过程中均是按照最短路径穿过气隙的,磁力线颜色较为红色的为磁力线比较强的地方,蓝色则为磁力线较为弱的地方,所以可以看出,磁力线在定子鄂部和转子鄂部传递过程中,由里向外渐渐减弱,越靠近磁极的地方磁力线越强。
3.磁密分布图
上图为磁密分布图,可以看出没有加励磁的绕组上的磁密非常小,有励磁的两端的磁密较多,并且在定子齿地段和转子齿顶端的连接处达到最大。
通过磁密分布图与磁力线分布图的对比可以看出,磁力线较强的地方磁密分布也很密集,磁力线弱的地方磁密分布很稀疏。
4.气隙磁密曲线
磁场最大的地方是在气隙处,由于气隙存在一定长度,所以最大值在曲线内有一段存在空间。
最大励磁大约在1.16T左右。
5.气隙磁场波形
定子齿和转子齿交接的地方气隙磁场达到最大,其他部分磁场部分几乎为零。
6.转矩、磁链、电感计算结果
转矩:
电感
磁链
7.磁化曲线
从磁化曲线可以看出,大约在16500安匝时,磁化曲线由线性改为非线性,但是励磁电流给定较小,所以可以看出此时的励磁并没有达到饱和状态
五.提高
1.不同转子位置上的转矩变化
由上图可以得到,当角度为-12°即定子与转子恰好正对上时,转矩为零;按照理想情况来说,在3°时应该达到最大,在18°应该达到0,变化曲线基本按照正弦曲线来变化,但是由于励磁谐波的存在以及气隙与材料不完全理想的情况下,转矩初始状态上升较快,在-10°的时候已经基本达到了最大值,在12°的时候转矩为0。
然后将该图像根据(18,0)做旋转变换应该就是另一个30°过程中的转矩变化
2.不同边界条件下对磁场的影响
边界条件对磁密的影响如上图所示,边界条件从0到5增大的过程中,磁场强度从0.1345降低到0.1335,说明外界条件对磁场变化的影响并不是很大,也有可能是边界给定的变化较小,此处仍可以继续深入研究下去
3.不同励磁电流下剖分图、磁力线、磁密的对比(4000A、8000A、16000A)
(1)剖分图
对比三张图可以得知,励磁电流对于剖分图的分布来说并没有影响。
(2)磁力线分布图
励磁电流对磁力线分布的影响就是漏磁通有所加强,在定子各个齿部的迂回通道来说越来越长,颜色代表着大小,变化不明显。
(3)磁密分布图
对比三张图可以得到,磁密强度随着励磁电流的变化越来越大,主磁路的磁密变化颜色有明显加深的现象。
说明磁密变化和电流变化正相关。
(4)气隙磁密分布图
通过三张气隙磁密对比,可以得知,最小气隙处仍然是各个点最大的地方,最大的磁场强度随着电流的增大而增大,但是增大的幅度并不是按照线性进行增大的,励磁电流为4000A时磁密为2T,8000A时为2.1T,16000A时为2.23T。
所以我猜测,最大磁密有可能和励磁电流的平方有线性而非正比例关系。
六.总结
1.AutoCAD的主要难点在于绘制图形时尺寸的应用。
比如说画出电枢上的齿部,我们用的方法是用直线来切割圆,然后再用裁剪的方法将多余部分剪切掉。
一般做直线都是两点确定一条直线,而电机的齿部尺寸只有起点和角度,所以以前的方法行不通,因为无法计算测得直线的具体尺寸,如果减少将无法构成密闭图形。
所以,我就在网上查找到用角度画直线以及切割直线、曲线的方法,将直线延长后切割直线与圆弧,就可以将电枢的齿部完整的滑下来。
2.对于Maxwell环境,主要难点就是掌握建立与添加磁钢、冲片材料,施加边界条件、激磁和求解参数以及后续查看剖分图、磁力线、磁密分布和气隙磁场的步骤。
这些步骤看似非常难,实际上等到掌握之后,在做每一次仿真的速度也会大大加快。
效率也会升高。
3.之前最困惑我的一点就是转子和定子的面域全都是一大整块,并不是我想象当中的定子去掉气隙之后留下来的磁钢,后来通过与同学探讨发现,面域只是把一堆封闭的、零散的多段折现合并成一条曲线,所以通过sat文件转换到Maxwell之后的面域也一定包括原点,但是对仿真并无大碍。
4.通过本次实验,让我了解了AutoCAD和Maxwell两个软件的应用,配合查阅资料以及与同学、与老师之间的探讨,让我对电机有限元仿真过程有了初步的印象,在今后学习上如果需要分析一个电机的特性,相信这一段经历会派上用场的。