某电机多物理场耦合分析

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。

4、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－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－170.8A×39安匝、负载电流为12×313.8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170.8A×39安匝。

计算结果如下：
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12×313.8安匝，励磁电流为170.8×39安匝。

计算结果如下：
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。

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。