稀土永磁電機(jī)磁場有限元分析自動化技術(shù)
李聲晉蘆 剛 馬瑞卿
竇滿鋒 李鐘明 (西北工業(yè)大學(xué))
【摘 要】互電機(jī)電磁場分析的自動化技術(shù)是長期困擾電機(jī)精確設(shè)計的關(guān)鍵因素之一，文中通過分別構(gòu)造自動化數(shù)據(jù)前處理系統(tǒng)、通用有限元求解器、自動化后處理系統(tǒng)等，使電機(jī)電磁場的有限元分析簡單可行。
【敘 詞】永磁電機(jī)磁場有限元法自動化
1 引 言
與等效磁路法不同，用有限元法求解電機(jī)電磁場具有計算精確、全局磁場分布清晰直觀、計算不受結(jié)構(gòu)的限制等優(yōu)點，但已有的各電機(jī)電磁場分析軟件使用很不方便，它要求設(shè)計者不僅要具備較系統(tǒng)的有限元理論及過程、數(shù)據(jù)前處理的能力，還要對計算機(jī)語言、程序操作及使用的電磁場分析程序熟悉。另外，由于電機(jī)類型、結(jié)構(gòu)特征、齒槽、磁極以及參數(shù)范圍等的不同，造成數(shù)據(jù)前處理相當(dāng)復(fù)雜，需經(jīng)多次反復(fù)，才能得到正確的磁場計算結(jié)果，因而電機(jī)電磁場有限元分析的自動化一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的課題之一。隨著計算機(jī)及CAD的不斷普及，有限元分析自動化軟件的用戶界面作為和設(shè)計者交流的接口，已對軟件的市場起很重要的作用[1,2]。
2自動化數(shù)據(jù)前處理
電磁場分析自動化的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)前處理的自動化技術(shù)，國外對這方面的研究很活躍，已形成商品化的軟件有美國MSC公司的數(shù)據(jù)前／后處理軟件MSC／XL等，國內(nèi)如上海工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、河北工學(xué)院等也均有諸多研究。本文所介紹的自動化數(shù)據(jù)前處理系統(tǒng)的特點在于其設(shè)計構(gòu)思是面向用戶的。
由于齒槽及磁極的形狀繁多、結(jié)構(gòu)差異大，且各結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍及求解區(qū)域等無法預(yù)先確定，因而給數(shù)據(jù)前處理的自動化帶來極大的困難。本系統(tǒng)從網(wǎng)格劃分著手，通過構(gòu)造具有自適應(yīng)的基本剖分單元構(gòu)成準(zhǔn)則，針對電機(jī)的各媒介沿電樞圓周均勻或分段均勻這一特點，采用帶狀層網(wǎng)格劃分，將每層的節(jié)點數(shù)及帶狀層數(shù)與剖分精度相耦合等，較好地解決了數(shù)據(jù)前處理的自動化。本自動化前處理系統(tǒng)已能剖分的有定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩種。
2．1定子結(jié)構(gòu)
·定子瓦片磁鋼結(jié)構(gòu)(徑向充磁)。
·定子矩形磁鋼結(jié)構(gòu)(切向充磁)。
·定子閉口、半閉口梯形槽。
·定子閉口、半閉口底半梨形槽。
·定子閉口、半閉口梨形槽。
·定子閉口、半閉口口半梨形槽。
·定子閉口、半閉口梯形槽肩扇形槽。
·定子閉口、半閉口梨形槽肩扇形槽。
·定子閉口、半閉口圓形槽。
·定子開口梯形槽。
2．2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
·轉(zhuǎn)子瓦片磁鋼結(jié)構(gòu)(徑向充磁)。
·轉(zhuǎn)子矩形磁鋼結(jié)構(gòu)(切向充磁)。
·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口梯形槽。
·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口底半梨形槽。
·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口梨形槽。
·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口口半梨形槽。
·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口圓形槽。
·轉(zhuǎn)子開口梯形槽。
3有限元求解器
有限元理論及各工程類有限元通用分析程序已相當(dāng)成熟，但大部分電磁場有限元分析程序都是一個單一的獨立整體，磁場分析必須經(jīng)過一些手工的初始化過程，尤其當(dāng)剖分單元節(jié)點多、數(shù)據(jù)處理量大時，必須在程序內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)／外存分配，這就需磁場分析者對計算機(jī)語言及程序相當(dāng)熟悉，因而它仍不是面向電機(jī)設(shè)計者的，更談不上有較好的用戶界面。本文所述的有限元求解器不僅較好地解決了該問題，而且針對不同的數(shù)據(jù)處理量(不同的結(jié)構(gòu)、求解區(qū)域、剖分精度等)及用戶不同的硬件配置，開發(fā)了兩種求解模式(小容量實模式、大容量虛模式)，基本解決了電磁場求解中遇到的各種情況。
4自動化數(shù)據(jù)后處理
有限元算法求解電磁場的優(yōu)點是磁參數(shù)計算準(zhǔn)確、全局磁場分布清晰、直觀，而已有的電磁場分析程序不太重視后處理，且用戶界面不理想。本文除具備面向用戶的自動化常規(guī)后處理功能，如氣隙磁密、磁通、計算極弧、氣隙磁密分布、磁位線分布等，還增加了全局磁場磁通密度(標(biāo)量)彩色噴繪功能及全局磁場磁通密度(矢量)方向圖，從而使電機(jī)設(shè)計者能真正清晰、直觀地了解電磁場全貌。自動化后處理功能為下：
·繪剖分圖。
·繪氣隙磁密分布曲線。
·繪氣隙磁密分布比較曲線。
·繪求解區(qū)域等磁位線。
·繪求解區(qū)域磁密彩色噴繪。
·繪求解區(qū)域磁密趨向圖。
5自動化系統(tǒng)及構(gòu)成
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