ANSYS在电机设计编程的运用.doc

ANSYS在电机开发中的运用通过实践证明，在很多情况下，采用经典算法设计电机，再通过“打样”进行验证和修改，一般已可以满足设计精度的要求这是很多工厂的主要设计方法之一经典设计方法是基于等效磁路 即“场化路”的计算方法但我们知道，电机设计中的诸多系数，有的是依靠电磁场计算获得，有的则是通过反复实验将数据统计分析得出的，这就决定了设计分析的近似性实际上，由于电机内的电磁场非常复杂，研发人员往往首先采用很多假设来简化分析条件例如我们熟知的：先忽略漏磁影响，忽略铁磁材料饱和的影响，将电枢假设为光滑表面（忽略齿槽的影响），近似认为在每段磁路中磁通沿长度和截面是均匀分布的等等，待完成基本推导后，再利用实验和经验对各系数加以修正但当面对比较复杂的电机，很多实际情况与假设相差甚远，漏磁路是十分复杂的，漏磁通占的比例通常很大，而铁磁材料一般都比较饱和，磁通分布实际上很不均匀，畸变严重，磁导是非线形的，出于需要，现代电机中磁极的形状，齿槽分布又是多样而复杂的……如有广阔应用前景的永磁电机中的永磁体的局部失磁等复杂的电磁过程，经典计算方法已经不能满足需要必须用到基于“场”的分析和计算方法（数值计算）本文就是打算推荐在工厂中解决这些问题的一个有效工具。

对电机电磁场进行数值计算的原理和方法已，如有限元法、有限差分法和边界元法有大量专著介绍其中有限元法应用最为广泛，由于计算机的广泛应用，使这一方法有了非常广阔的实用价值，而ANSYS则是功能最强大、最有效的有限元分析专用软件一 ANSYS是将工厂与深奥的电磁场分析连接起来的重要工具电磁场的分析和计算通常归结为微分方程的求解ANSYS软件缩短了工厂设计与抽象的电磁场理论间的距离，将抽象的物理场将变得可视和直观，用它强大的功能求解这些复杂的偏微分方程，可直接输出我们需要的结果， ANSYS是在FORTRAN编程语言的基础上形成的，但它使用时却如同解释性语言一样，可以方便地实现人机对话有其它计算机语言和CAD绘图基础的人则更容易入门，找到分析深奥理论问题的捷径简单说，我们可以针对要分析的电机，将定子、转子、气隙都按尺寸绘出轮廓（几何建模），然后将它们的各个部分如线圈、磁极、磁轭、机壳……分别定义它们的材料特性（如电阻率、磁化曲线等），使各部分的模型由几何体变成由材料组成的物体；然后我们将上述几何体按一定规则划分成很多网格（网格划分），再通过命令语句对需要的部位加上边界约束条件，加上绕组中的电流等（加载，成为一个计算机中的模型电机的静止状态了）；选择适当的运动步长让定转子在气隙中的人为设定的边界上以整数个节点数与定子相对移动（电机旋转）；通过ANSYS给我们预备好的求解器，对网格划分形成的每个节点进行计算分析，就可以较准确地计算出我们需要的电机的磁场分布、电感、力矩等等。

可见ANSYS与我们习惯的计算方法有很大不同，它的实质是通过在计算机中模拟运行电机来求解的求解过程可分为为三大步骤：前处理——建模与网格划分，加载设置求解，后处理ANSYS的用途远非限于电磁场分析和计算事实上，电机的运行处在电、磁、热、流体、力和运动的多种物理场的耦合的复杂过程中，在与外电路连接后，又受到外部电路的复杂影响ANSYS正是唯一能够真正多实现电机多物理场耦合的有限元分析工具，借助于ANSYS软件可以建立电机（包括定子、转子、气隙、结构件、绝缘件和外部电路）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的有限元计算模型通过进行电机磁场分析，计算磁场和磁密分布、矩角特性、电感和感应电势等参数，获得电机电磁力和电磁力矩分布等；并且可以在同一个分析模型上，利用分析得到的电磁发热，将电机的流体－热直接进行耦合分析，ANSYS可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，由此考核电机的通风冷却效果，并得到电机在一定的冷却风量下的温度分布、冷却流体速度和压力等；还可以利用以上全部结果对电机进行结构分析，得到在考虑温度和电磁影响下的电机结构件的应力和变形情况，甚至同时对电机定子、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。

本文仅对我们最实用的ANSYS在微电机电磁场分析中的运用作一些初步介绍，这类资料所见不多，希望本文能起到抛砖引玉的作用二 建模与网格划分在分析物体的物理过程时，最直观的是物体的几何形状建模”就是在ANSYS环境下将电机的几何模型表示出来，再赋予各部件物质的特性我们遇到最多的电机分析问题集中于垂直于电机轴的平面场，电流密度和磁矢位只有轴向分量，因此我们遇到的大多数电机可以简化为二维场的分析，即建立平面模型就可以了（对于需考虑端部效应、边缘效应的电机则应该用三维场分析，需立体建模）通常将圆柱形电机旋的转轴心与Z坐标重合（或平行），而取一与其垂直的截面建模（但根据不同情况要分别对待，例如某些采用轴向磁场的电机、“无限长”直线电机……则应该取轴向截面）1 建模和分析方式的选择本文不推荐初学时将其它制图软件（如PRO/E、Solidworks和AutoCAD）中的几何图形直接导入ANSYS，因为转换和修复方面花费的时间可能比直接建模还多，而且容易出错经验证明：当采用命令流程序时，关键点的定义处理会不方便；另外：分析时，我们通常在气隙中设置一条运动边界，这是几何图形中没有的，又增加了修复任务当然有些已有转换经验的人另当别论了。

ANSYS中可以通过命令流或GUI来处理分析过程本文建议初学练习时多用GUI熟悉软件各界面、操作、菜单功能和对话框，而实战时应该选用在文本文件中直接编写命令流的方法一般而言，前处理使用命令流出错少，而求解控制里面使用GUI却比较方便但不管用哪种方法输入的命令执行后，该命令就会在自动生成的.LOG文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG文件的内容如果软件运行过程中出现问题，查看.LOG文件中的命令流及其错误提示，将可快速发现问题的根源LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，可以由ANSYS自动读入并执行，成为一个实用的命令流文件ANSYS具有友好的人机对话界面，例如我们运行了选取单元的命令后，可以通过主菜单Utility Menu>List>Properties>Element Type，就可看到我们元素的输入选择，并可以及时修改，和解释性语言一样方便其它命令也可按要求显示结果，不一一列举ANSYS的运行过程还通过同步出现的Output Window显示出来，让我们“知情”，特别在我们等待漫长的运算收敛过程时，很有帮助2 基本内容（1）单元选择在键入/PREP7 命令进入一般前处理器后，将使用的单位制选择为MKS制。

然后根据需要通过ET命令ANSYS元素库中选择分析所需的单元类型，以便后面将其分配给适当的区域ANSYS程序的电磁场分析分为低频和高频这两个主要的分析模块电机电磁场属于似稳场，选用低频电磁场分析部分例如ET,1,13 ！一般二维电磁场分析可选PLANE13（13号单元）ET,2,PLANE53,3 ！第2号元素的类型， PLANE53（53号单元），代表单元特性的编码3，当KEYOPT（1）=3时有磁矢位、电流、电动势三个自由度ET,3,124,0 ! 第3号单元的类型circu124，KEYOPT（1）=0（外电阻）ANSYS能将电机内电磁场和外部电路结合起来进行场路耦合分析，将电路连接到有限元范畴的电流源区域，直接用于2-D及3-D的分析中这其中包括绞纽线圈（包括螺线管线圈电路，变压器和电机定子）和块状导体线圈（如鼠笼转子等）的分析场分析模型中有两种类型的终端条件可实现与电路的联接：电路供电绞线圈和电路供电块导体在二维状态下，场分析中与电路联接的部分必须用53号单元（PLANE53 —— 2-D 8节点的磁性体），而三维时必须用97号单元（SOLID97 ——3-D 磁性体），并应将一般的线路单元(CIRCU124)同上述某一个元素类型联合使用。

欲详细了解可查ANSYS Elements Reference 单元详述2） 在编写命令流文件时，应该选用参数化建模的方法同类型电机的几何形状有很强的相似性，这样通过一次建模，会为今后多台电机分析打下基础，节约大量时间ANSYS参数设计采用FORTRAN的方式进行，也和很多高级语言程序语法相似，但格式远没那么严格无大小写限制，不要行号只用固定代号输入电机各参量、尺寸，包括冲片、槽型、磁极……，例如：Mph=3 ！输入相数Z=24 ！输入电枢齿数pole=4 ！输入极数 Drot=0.0430 ! 输入转子直径……此外，还有*SET，Par，VANUE，VAL2…VAL10等命令也可用于赋值3）材料命名，采用MP命令MP,MURX,1,1 ! 气隙（MP为定义材料特性，编号1#，导磁率1.0）/input,DW470,sim ! sim文件由设计者在文本文件输入磁化曲线后存为sim文件，这里是读取定子硅钢片DW470的磁化曲线（注意后缀前用的是“，”而不是“.”）/input,Q235-A,sim ! 读取机壳材料Q235-A的磁化曲线/input, DW470,sim ! 读取转子轭硅钢片DW470的磁化曲线……MP,MURX,5,1 ! 定子线圈导体材料，编号5#，导磁率1.0调试程序时,也可以先用线性材料来定义某些非线形材料,可节省时间，待程序通过再修改代，例如/input,DW470,sim可先用MP,MURX,2,2000代之。

4） 求解区域为了尽量减少电磁场求解的区域范围，以减少计算时间（成千上万的节点算完往往要几个乃至十几个小时），考虑到电机结构的对称性，沿周向分布的电磁场具有周期性，我们可以取一个极距范围作为求解区域本文推荐取相邻两极间的几何中心线（op...）为边界当然，求解区域应该对应整数个电枢槽，否则宜找出为二者最小公倍数的几何中心线（一般选择nπ电角度）这样因磁位A沿中心线法向变化率为零，可以满足第二类齐次边界条件（磁位微商为零）：…=0另外，我们通常选用电机的外（导磁的）侧面为（强加的）边界面，这是基于认为磁力线沿此表面（c_out）闭合，是一个一类齐次边界（磁位为零：Ac_out=0）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此外，通常将转子铁心的内圆也取为一类齐次边界面，微电机中，当轴为铁磁物质时，可将内圆缩至圆心5） 坐标选择对于场分析模型而言，坐标的概念十分重要，用坐标输入的方法作电机的几何图形时，典型结构电机用圆柱坐标更为有利，可用命令LOCAL定义局部坐标系（例如LOCAL，11，1意为定义为11#圆柱坐标系，LOCAL，12，0意为定义为12#直角坐标系），将圆柱坐标原点定义在电机的旋转中心。

然后逐个输入点的坐标作图在电路分析模型中，节点或单元坐标并没有什么实际意义，重要的是路的联接关系在定义电路单元的节点时，原则上坐标值可以任意设定，但为了在图形显示后更方便观察，对电路单元的节点坐标定义可采用一定的规则；例如二维场、路耦合分析时，电路绞线圈单元的I、J节点的X和Y坐标可以设置为其场模型上的一个K节点的X和Y坐标，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），使场路模型的耦合关系在图形显示上非常直观（这样的模型建立方式若通过ANSYS的二次开发语言APDL可以更方便地完成）6） 几何建模电机模型采用逐。