基于Ansoft的直线感应电机性能分析
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设计分析esign and anal y sis
微特电机 2006年第11期
基于
A n s o f t
的直线感应电机性能分析
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收稿日期:2005-12-21
基于Ansoft 的直线感应电机性能分析
裘昌利
1,2
,张红梅1,刘少克
1
(1.国防科技大学,湖南长沙410073;2.空军航空大学,吉林长春130000)
P erfor m ance Analysis of Linear Inducti o n M ot or Based on Ansoft
QIU Chang -li 1,2
,Z HANG H ong -m ei 1
,L I U Shao -ke
1
(1.N ationalUn i v ersity of Defence Technology ,Changsha 410073,Ch i n a ;
2.Av iation Un i v ersity ofA irf o rce ,Changchun 130000,China)
摘 要:使用A nso ft 软件辅助直线感应电机的设计和分析,并对电机的磁场分布和运行性能进行仿真,给出了仿真结果,并对仿真方法作了简要的说明。
关键词:直线感应电机;仿真;性能分析中图分类号:T M 359.4 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2006)11-0022-02
Abstract :The process o f desi gn and analysis of li nea r i n -duc ti on mo tor can be d irected by A nso ft .T he distr i buti on of m agnetic field and the runn i ng perfor m ance are discr i bed by si m -u l a ti on fi gures .
K ey w ords :li near i nduc tion m otor ;si m u l a ti on ;ana l ys i s of performance
1引 言
直线感应电机作为线性驱动装置,具有以下特点:
(1)通过电能直接产生电磁推力形成直线运动,不需要从旋转运动到直线运动的机械结构转换;
(2)速度不受离心力或电机直径的影响;
(3)直线电机的特殊结构决定了其散热能力好,但相对传统旋转电机也有许多不足之处;
(4)由于气隙较旋转电机大,因此所需的磁化电流较大,使励磁损耗增加;
(5)由于直线电机初级铁心两端开断,产生了边端效应,其边端效应包括纵向效应和横向端部效应,特别在高速区域,由于第二类纵向边端效应在次级导体板产生的感应电流的影响,使电机的损耗增加,功率因数降低,并引起推力减小;
(6)直线感应电动机的功率因数和效率都比较低。
直线感应电机的以上特点决定了其设计与分析的方法与传统的旋转电机有所不同;在考虑其边端效应的条件下,其设计与分析的难度更为突出。随着有限元方法在电机设计中的应用,考虑到所有边端效应的有限元模型已经能够建立,并可以此为基
础加以分析和研究。
应用Anso ft 软件的Transient 模块可以用有限
元方法分析直线感应电机的速度、推力、法向力、边端效应、气隙磁场等特性,从而为电机的设计与分析带来快捷与方便。2Transient 模块简介
T ransient 模块是Ansoft m ax w ell2D /3D 软件中专门用于分析瞬态电磁场的模块。它非常适合分析电压、电流源为非正弦激励,或者模型中的物体处于平动或转动状态的情况,以及磁场、能量、力、功率损耗、速度等物理量是时间的函数的模型。
用Anso ft Transient 模块分析电机的特性有以下优点:
(1)用几何绘图方法建立模型快速方便,容易调整、改变电机参数;
(2)可以使用材料库定义电机各部分材料属性,即使是库中不存在的材料也能自定义添加。(3)动态仿真电机的运行状况,可以给出每时刻的磁场、能量、速度、力的数值。
(4)应用后处理器和场计算器可以计算其他设计指标和瞬态场量。3模型样机与几何建模
直线感应电机样机参数如表1所示。
表1 直线感应电机的主要技术参数
相数3槽口宽/mm 8极数6槽口高/mm 20
并联支路数1次级厚度/mm A :l 2.5,Fe :10.5
初级槽数18次级宽/mm 70每相匝数258气隙长度/mm 3线圈数9绕组接法星形接法初级铁心宽/mm 70绕组形式单层绕组
初级铁心高/mm
36额定电压/V 30齿宽/mm 7额定功率/kW 0.24槽宽/mm
8
额定频率/H z
50
在Anso ft 中的几何建模如图1所示。
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图1 直线感应电机的几何模型
4有限元分析的过程和结果
在仿真中设定的主要参数有:电压幅值30V;频率50H z ;线圈初始电流0A;自感系数0.003H;每相电阻1.8 ;初始速度0m /s ;初级质量0.5kg ;阻尼系数0N
/m;负载阻力1N 。设定好分析参数后,用Transient 求解器计算,得到磁场、推力、法向力、速度、能量等的瞬时值。4.1磁场分析
图2为直线感应电机的二维有限元剖分图。
图2
直线感应电机的二维有限元剖分图
图3为t =0时的磁通分布。
图3 t =0时的磁通分布
4.2仿真结果
直线感应电机的位置、速度、推力和法向力随时间变化的曲线分别如图4所示。
图4 直线感应电机仿真结果
从图4中可以看出,电机在起动过程中,速度逐渐增大,加速度逐渐减小,至0.25s 时趋于稳定;推力逐渐减小,法向力(吸力)逐渐增大。这些曲线与常见的实验曲线相一致。除此以外还可以观察线圈电流、电压、感应电动势、转子磁链等。应用后处理
器还能显示其他瞬态场求解结果。而场计算器则可以进一步扩展后处理器的功能,可以计算并用图形
显示主要场量。
利用现有的直线感应电机实验平台,调整平台的参数或仿真模型的参数,使二者趋于一致,进行测量和实验,即可对模型的正确性进行验证。5利用Transient 模块调整和指导设计
利用Ansoft 软件的Transient 模块调整和指导设计其关键在于模型参数的调整,下面简要介绍参数调整的方法。
在绘图建模时,依照电机结构和几何尺寸可以设计和调整的参数主要有相数、极数、初级槽数、初级的高度、齿宽、槽宽、槽口的宽与高,次级厚度和气隙长度等。此外,还应绘制Band 物体,用于将静止的物体(本文中初级铁心是静止的)和运动的物体(次级铝板是运动的)分开,并且运动的物体是在Band 的范围内运动。
在材料管理器中,可以设定初级(铁)和次级(铝)和线圈(铜)的材料。Band 物体的材料一般设定为空气。背景默认为真空。
在边界条件管理器中,需要设定a 、b 、c 三相的电压,电压为函数形式,相角相差120 ,可在电压表
达式中设定电压的幅值和频率。此时,应选中模型中所有标记为A 、X 的物体,设定为a 边界,指定为铰链,在w inding 设定中,A 物体指定为正端,X 物体指定为负端,并设定为Y 形连接。B 、Y 、C 、Z 物体按上述方法设置。
在求解设定中,指定模型深度是指模型沿垂直绘图平面的深度,本文中其确定的参数是初级和次级的宽度。在网格生成器中需手动设定网格,对于线圈部分应进行细致的网格剖分。在运动求解选项中选择Band 物体,点击Set band ,将B and 内部的所有物体指定为运动的物体(本文中初级铁心与所有A 、X 、B 、Y 、C 、Z 物体均在B and 内部,并被指定为一起水平运动)。
依照上述设定,启动求解过程,即可得到默认的求解数据和曲线,如电机的磁场分布、位移、速度、水平推力、法向力、线圈电压、线圈电流等。通过改变各种参数的设定,就可以的到不同的求解数据,从而
为电机设计提供了重要参考。
综上,通过使用Ansoft 软件的Transient 模块分析和验证所设计的电机模型,能够方便调整设计参数,显示出电机的各项性能数据,为指导电机设计和分析电机性能,加速科研开发提供了新的途径。
(下转第26页)
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于热网络法的高功率密度异步电动机定子温升计算
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2( 4- 6)R r 4+R r 6+2( 5- 6)R c5+R c6+2( 8- 6)
R r 8+R r6
+ 6=0
(19)
类似36单元的节点方程
2( 35- 36)R c35+R c36+2( 34- 36)
R r34+R r 36
+ 36+ B =0
(20)
3计算实例
采用上述热网络模型对1台16k W 水冷却封闭式高功率密度三相异步电动机进行计算。相关参数如下:
定子铜耗p cu1=1000W;定子铁耗p Fe =1050W;转子铜耗p cu2=260W;杂散损耗p s =480W;风摩耗p f w =500W;冷却水的密度 W =998.3kg /m 3
;冷却水的体积流量Q W =8.5L /m in ;冷却水的比热容c W =4182.2J/kg k ;冷却水的入口温度 W =20 ;定子轭背部到冷却水的温升为30K 。
考虑到电机为定子外水冷却封闭式结构,计算时假定:(1)铜的导热系数为无穷大;(2)定子的发热仅决定于定子本身的损耗和边界条件;(3)转子铜耗、风摩耗全部用于加热空气隙的温度;(4)电机内部的空腔中,各点空气温度相同;(5)定子绕组端部损耗全部传到槽部而不向机内空气散热。(6)浸渍漆均匀地充满槽内各导体间。
采用高斯-赛德尔迭代求解矩阵式(17),得各节点温度如表1所示。
表1 外冷却封闭式高功率密度三相异步电动机
额定运行时定子温度场的计算值( )
1=50.634
3=51
.853 5=53.007 7=54
.028 9=54
.791 11=66.420 13=78.008 15=84.053 17=89.136 19=93.440 21=97.061 23=100.221 25=102.991 27=105.423 29=107.497 31=109.032 33=109.944 35=100.067 2=50.804
4=52
.383 6=54.021 8=55.835 10=58
.031 12=60.481 14=64.546 16=68.499 18=72.329 20=76.030 22=79.600 24=83.037 26=86.340 28=89.509 30=92.564 32=95.456 34=98.241 36=102
.2404实验结果
实验时冷却水的入口温度20 ;供水压力0.3MPa;冷却水的体积流量8.5L /m in 。
为测量定子绕组的温度,实验中采用在定子槽口处预埋热电阻的方法。其测量结果基本反应了单元33的温度。
实测电机在不同负载
情况下的稳态温度曲线如图3所示。可以看出,额定负载16k W 时电机定子绕组槽口处温度为113 。图3 定子绕组温度在不同负载时的稳态温度
5结 语
电机实验时采用的条件与热网络法计算中的边界条件相同,计算单元33的计算值 33=109.944 ,实测值 33=113 ,二者相对误差为2.7
%,说明采用热网络法计算电机的定子温度具有较高的准确性。
与集中参数法相比,热网络法提供了较为详细的电机内部各节点温升分布情况,这对于分析电机内部的局部过热、合理分布电机内部热源提供了依据。
本文采用热网络法计算高功率密度电机的定子温升,为进一步合理设计电机冷却结构、提高电机的功率密度及运行可靠性提供了实用、可靠的依据。参考文献
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作者简介:王北社(1971-),男,硕士研究生,主要从事电机设计及运动控制的研究。
窦满锋(1967-),男,教授,主要从事稀土电机设计及运动控制的研究。
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(上接第23页)参考文献
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作者简介:裘昌利(1981-),男,硕士,研究方向为直线感应电机参数辨识与无速度传感器设计。
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