稀土永磁電機磁場有限元分析自動化技術
李聲晉蘆 剛 馬瑞卿
竇滿鋒 李鐘明 (西北工業大學)
【摘 要】互電機電磁場分析的自動化技術是長期困擾電機精確設計的關鍵因素之一，文中通過分別構造自動化數據前處理系統、通用有限元求解器、自動化后處理系統等，使電機電磁場的有限元分析簡單可行。
【敘 詞】永磁電機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電磁場具有計算精確、全局磁場分布清晰直觀、計算不受結構的限制等優點，但已有的各電機電磁場分析軟件使用很不方便，它要求設計者不僅要具備較系統的有限元理論及過程、數據前處理的能力，還要對計算機語言、程序操作及使用的電磁場分析程序熟悉。另外，由于電機類型、結構特征、齒槽、磁極以及參數范圍等的不同，造成數據前處理相當復雜，需經多次反復，才能得到正確的磁場計算結果，因而電機電磁場有限元分析的自動化一直是國內外學者研究的課題之一。隨著計算機及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自動化數據前處理
電磁場分析自動化的關鍵是數據前處理的自動化技術，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公司的數據前／后處理軟件MSC／XL等，國內如上海工業大學、天津大學、河北工學院等也均有諸多研究。本文所介紹的自動化數據前處理系統的特點在于其設計構思是面向用戶的。
由于齒槽及磁極的形狀繁多、結構差異大，且各結構參數的范圍及求解區域等無法預先確定，因而給數據前處理的自動化帶來極大的困難。本系統從網格劃分著手，通過構造具有自適應的基本剖分單元構成準則，針對電機的各媒介沿電樞圓周均勻或分段均勻這一特點，采用帶狀層網格劃分，將每層的節點數及帶狀層數與剖分精度相耦合等，較好地解決了數據前處理的自動化。本自動化前處理系統已能剖分的有定、轉子結構兩種。
2．1定子結構
·定子瓦片磁鋼結構(徑向充磁)。
·定子矩形磁鋼結構(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轉子結構
·轉子瓦片磁鋼結構(徑向充磁)。
·轉子矩形磁鋼結構(切向充磁)。
·轉子閉口、半閉口梯形槽。
·轉子閉口、半閉口底半梨形槽。
·轉子閉口、半閉口梨形槽。
·轉子閉口、半閉口口半梨形槽。
·轉子閉口、半閉口圓形槽。
·轉子開口梯形槽。
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，磁場分析必須經過一些手工的初始化過程，尤其當剖分單元節點多、數據處理量大時，必須在程序內部進行內／外存分配，這就需磁場分析者對計算機語言及程序相當熟悉，因而它仍不是面向電機設計者的，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，而且針對不同的數據處理量(不同的結構、求解區域、剖分精度等)及用戶不同的硬件配置，開發了兩種求解模式(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自動化數據后處理
有限元算法求解電磁場的優點是磁參數計算準確、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，從而使電機設計者能真正清晰、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。
·繪求解區域等磁位線。
·繪求解區域磁密彩色噴繪。
·繪求解區域磁密趨向圖。
5自動化系統及構成
該系統在數據前處理、有限元求解及后處理均實現自動化的基礎上，通過構造良好用戶接口管理系統(UIMS)，將各分系統及執行程序都集成為一個主控菜單，并加以漢字化，用戶只需選擇欲執行的菜單項，即可自動完成各分系統的功能。用戶界面及菜單的構成等見文獻[4]，本系統的構成及功能為：
·有限元數據前處理。
·有限元求解器(實模式)。
·有限元求解器(虛模式)。
·有限元數據后處理。
·軟磁材料庫維護。
·硬磁材料庫維護。
·結束。
6結語
本文所述的自動化電機電磁場分析系統是建立在數據前／后處理自動化、有限元求解通用化及軟、硬磁材料及數據庫自動化前提下，通過構造良好的用戶界面及接口管理系統而完成的，達到了工程實用的程度。
自動化分析系統因不需電機設計者了解有限元理論、數據前／后處理乃至語言、程序等，只需通過簡單便捷的操作，就可獲得電磁場結果，因而很適合電機設計經驗豐富而計算機及有限元不熟悉的工程技術人員使用。 |
