某电机多物理场耦合分析.docx

某电机多物理场耦合分析1、概述为了验证 ANSYS 耦合场分析功能在电机设计中的应用，采用 ANSYS 的多物 理场耦合分析功能，对某机车牵引电机（包括定子、转子）的耦合场分析作了如 下工作：1 建立起电机用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计 算模型；2 首先进行电机磁场分析，计算获取了电机设计中所关心的磁场和磁密分 布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；3 利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热耦合分析，考核电 机的通风冷却性能，得到电机的温度分布；4 使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及温度分布，进行结 构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况同时对电机定子、 以及定转子耦合情况进行振动模态分析所有分析相互间的载荷和边界条件的传递均由程序自动完成2、引言 众所周知，在电机设计与研究中，要涉及到电磁、绝缘、发热、通风冷却和 力学等多种多样的问题，是一个典型的综合性研究学科，各学科之间是相互关联、 相互影响的，是典型的多场耦合问题学科由于多场耦合问题的研究十分复杂和 困难，传统的电机分析研究方法，是把这些相互关联的问题分离，按各学科分类 进行独立的研究。

ANSYS是世界上唯一真正能够在同一个界面下，使用统一的数 据库进行完善的电磁场、流场、温度场、结构（应力场）耦合分析的商业软件 应用 ANSYS 的这种多场耦合能力可以很方便地研究电机的多场耦合问题为了实际考核 ANSYS 的电磁、热、流体（通风冷却）、结构这些多物理场 及其耦合分析在电机设计和研究中的应用能力， ANSYS 公司成都办事处对某牵 引电机进行了多物理场耦合研究分析研究分析的内容为：运用 ANSYS 软件建立起电机（包括定子和转子）用于电磁、流体、热、结 构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；首先进行电机磁场分析，计算获取 电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电 磁发热、电磁力和电磁力矩分布；在同一个分析模型上，利用电机磁场分析得到 的热生成，进行电机的流体－热直接耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到 电机在一定的通风量情况下的温度分布规律（同时还包括流体速度、压力等参 数）；最后使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及流体－热直接 耦合分析中获得的温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机 的应力和变形情况，并同时对电机定子、以及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。

3、计算模型运用 ANSYS 前处理的三维实体建模功能，建立电机的整体三维模型模型 包括：电机定子机座、定子铁芯、定子线圈、与基础连接的支撑、转子本体、转 子磁极、转子线圈、空气等几何模型总体如图 2a 所示，电机本体截面构成如 图 2b 所示，电机纵向图如图 2c 所示电机转子和定子间气隙宽度为 3 毫米在建立好电机的几何模型后，组合运用 ANSYS 多种多样的网格划分功能， 对几何模型进行网格划分，单元全部采用六面体形式有限元网格包括固体单元 和空气单元在有限元模型中，总节点数为 162136 个，总单元数为 160552 个， 其中固体单元为66572 个，空气单元为 93980个有限元模型如图 3 所示转子线圈气隙空气三干冲片定子线圈空气机座外壳KAT TJTJHAUG 6 ZDOZL3;»z 5$空气FIJI MDPZLb电机本体截面示意图c电机纵向示意图■■1:图3 电机多物理场分析有限元模型£JjEEEJQ7SFEA 曲PELiXUC £ £口口£ m冷汕?14、 单位系统本计算中所采用的单位系统为标准国际单位制:长度-米(m)；质量-千克(Kg)； 时间-秒(S)；速度-米/秒(m/s)；温度-度(°C)；比热-焦耳/(千克-度)(J/(kg-°C)； 热传导系数-瓦/(米-度)(W/(m-°C)；导出单位:力一牛顿(N)；密度-千克/米 (Kg/m)；频率-赫兹(Hz)；应力-帕(Pa)；热生成率-W/m3。

5、 载荷以及载荷的输入与传递由于采用的是耦合场分析，所以电机的直接输入载荷仅仅是在进行电磁场分 析时需要输入的定转子的电载荷而在进行流体分析、热分析、结构分析时，不 必人为从外部输入热载荷和结构载荷电磁分析的计算结果包括流体、热分析所 需要的热载荷和结构分析需要的力的载荷，在作流体和热分析时，程序自动从电 磁分析的结果文件中读取（Ldread〃*.rmg）所需的载荷（热生成率），流体和热 分析之间直接耦合在作结构分析时，程序自动从流体和热分析的结果文件中读 取温度分布，从电磁场分析的结果文件中读取力和力矩数据由于计算模型一样， 读取的载荷自动对应相应的位置，不需要进行人工干预电磁场分析的输入载荷为:励磁电流一170.8AX39安匝、负载电流为12x313.8 安匝6、边界条件1） 电磁场计算边界:忽略电机外壳的漏磁，在外壳表面施加磁力线平行边界条件； 忽略端部效应，在两个端面施加磁力线平行边界条件2） 热和流体分析的边界条件:环境温度设定为 20°C； 风道入口温度设定为 20°C；风道入口速度给定为1m/s；流量（0.05m3/s）；壁面为无滑移边界，即壁面速度为 0；风道出口处给定压力为 0。

3） 结构分析边界条件:定子机座与基础连接处进行位移约束7 计算结果计算状态1：定子线圈空载，励磁电流为170.8Ax39安匝计算结果如下：图吕三维磁密分布口丄.1"£讪rZ21691口ODXL EDL4TTI C3IJU1 31 2^0213!： 39：^5SUB -3, TIPE-1 B30B RSTSil] 二血=.!?&£-0?-1.9^5-<14.3362.6550?51,774计算状态2：定子3相负载双层绕组，每层6匝，即负载电流为12x313.8安匝，励磁电流为170.8x39安匝计算结果如下：BOS9电涼密融臓相位VOlUEg53.333213.33*3IRE ・E0 孑 240CISKu L>EUSa (E-Kl^El CFTW ・[l106.S671J3.333N3DAL 3-OLUTIOMSTEP'lS'JE -1esUN (l^C^ BST5«=OSMI ・.SLZE^S3＞： =-2- 346.31^-39 ,521277Z6CB53ANMG 5 ZOOS 09;Mr22■ 7B2516L.0431,5641.303 1.BZ42,OSSZ-34ei图口 逆密分布空载时，电机力矩为0。

负载时，2维力矩为2861牛顿•米/米，考虑电机的 长度为360毫米，则其力矩为2861*0.36=1030牛顿•米3维力矩为1046牛顿•米, 与2维计算结果相差约1.5％可以通过计算2维矩角特性来反映3维矩角特性 由于本电机是循环对称，通过负载的相位变化来体现矩角特性fe*F激励相位（度）图］? 电机矩角特性以图9中蓝色加载所在相位为横轴得到电机矩角特性如图 17 所示可以看 到，当此相负载为60 度时，另外两相负载分别为180 度和300 度，对称激励导 致电机力矩为零对于电机空载，计算得到电机转子直流励磁线圈电感为8.4mh,可为电机控 制电路设计提供参考依据利用 ANSYS 提供的快速处理工具，如标量方法和对称条件，对上述三维模 型，在 PIII866 微机上只需几分钟就可以计算得到我们关心的结果，能够满足工 程人员快速分析的要求对于需要结果精度更高的模型，如含有 7 万个单元的矢 量模型，在PIII866微机上计算时间为1.5小时。