关键词　永磁电机　有限元法　设计


　　1 引言


　　近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，稀土永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。永磁电机采用永磁体励磁，电机内部的电磁场分布较为复杂，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差，为保证计算的准确，一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。应用有限元法进行数值分析，需对有限元法熟炼掌握，编制计算程序，工作繁锁且精度不高，后处理能力有限。ANSYS是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，该软件融结构、热、电磁、流体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具有极为强大的前、后处理功能。在使用上，使用者只需输入所要计算的问题，便可获得结果，并可对结果进行进一步的开发使用，而不需要了解求解的详细过程，更不需要掌握有关技巧和编制任何程序，极大地方便了使用，节省了时间和精力。具体到电机设计上，无论任何结构、任何形式的永磁电机，只要将其模型输入ANSYS就可进行求解，通过后处理得到磁密分布、磁场分布、磁场强度分布、电磁力分布及转矩分布的彩色云图和单元列表，非常直观明了并且计算精度很高。


　　本文通过对某海上设备用高速永磁同步发电机的设计，较为详细地说明了用ANSYS进行电机内电磁场分析的具体过程，并给出了样机测试结果。　　


　　2　永磁同步发电机的性能指标和基本结构


　　该稀土永磁发电机经变流设备带动一组脉冲负载，要求电机输出两组三组电压±33V（相电压），功率为2kW，电压变化率为±2%，电机转速为24000r／min，体积和重量要求极为严格。电机采用R2Co17（钐钴2：17）永磁体，转子采用6对极瓦片式结构，外加不锈钢紧固套，定子采用36槽结构，定子绕组输出频率为2000Hz。


　　3　用ANSYS进行电机电磁场分析


　　本文采用ANSYS5．6版本的Multiphysics模块进行电机电磁场分析，可分为三个阶段：前处理、运行计算和后处理。　　


　　3．1　前处理


　　这一阶段包括定义单元类型、建立分析模型和定义各部分材料的性质。单元类型定义为电磁分析（Electromagnetic）轴对称型。本文设计的稀土永磁发电机为6对极对称结构，其电磁场分析模型采用一个极距范围，如图1所示。模型可用ANSYS提供的用户界面Workplane绘制，也可由Pro／E、UG或AUTOCAD绘制然后读入。





　　输入各种材料的性能：永磁材料的磁导率和矫顽力，非导磁材料（空气、线圈、磁隔）的磁导率，定子铁心（硅钢片）和转子磁轭（电工纯铁）的磁化曲线，然后将其一一赋予模型，再将模型中各材料面积融合为一体，如图2所示。





　　3．2　运行处理


　　这一阶段包括：网格剖分、设定电枢、加边界条件、施加激励和运行计算。选定整个模型进行网格剖分，如图3所示。然后将电枢部分面积设为电枢，将内外两条弧线设为平行于磁力线的边界，若求解的是负载情况，在槽部加电流密度激励，最后进行运行计算。





　　3．3　后处理


　　包括绘制磁密分布图、磁力线图、磁场强度图，求解电磁作用力或电磁转矩等。图4、5、6分别是电机空载时的磁密、磁场强度、磁力线分布图，也可以采用列表的方法将各单元数值列出。通过图形可以清楚地看出各部分磁密分布，磁场强度的大小，计算出磁钢的空载工作点以及各个电磁计算中所需要的系数，负载情况与此类似，从而在直观明了的情况下完成电机的电磁设计。





　　4　结果分析


　　本文稀土永磁同步发电机的设计，通过AN－SYS进行电机电磁场数值计算，很好地完成了设计任务，满足了电机电压变化率±2 o／o的要求。样机测试空载输出电压和负载输出电压如图7、8所示。图中空载相电压分别是33．41V、32．73V、32．81 V。负载相电压分别是33．42V、32．95V、32．50V。














　　5　结论


　　（1）ANSYS通用有限元分析软件，具有极强的前后处理功能和较高的分析精度，并且使用方便，常用于结构和传热方面的分析，在电磁场分析方面也能取得很好的应用。


　　（2）ANSYS应用于永磁电机设计使用极为方便，结果直观明了，使永磁电机设计更加准确和直观。


　　（3）对于大型永磁电机或对温度要求较高的永磁电机的设计，ANSYS的电－磁－热、电－热多物理场耦合分析功能将会起到很大的作用。


　　参考文献


　　1　唐任远．现代永磁电机理论与设计．机械工业出版社，1997．


　　2　王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．西北工业大学，1998．


　　3　洪庆章等．ANSYS教学范例．中国铁道出版社，2002．


　　
摘自　北极星网