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(yè)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(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(yōu)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(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(shù)范圍等的不同，造成數(shù)據(jù)前處理相當復雜，需經(jīng)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(nèi)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(shù)據(jù)前處理
電磁場分析自動化的關鍵是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)前／后處理軟件MSC／XL等，國內(nèi)如上海工業(yè)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(shù)據(jù)前處理系統(tǒng)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(shù)的范圍及求解區(qū)域等無法預先確定，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(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(jīng)過一些手工的初始化過程，尤其當剖分單元節(jié)點多、數(shù)據(jù)處理量大時，必須在程序內(nèi)部進行內(nèi)／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(shù)據(jù)處理量(不同的結構、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(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)及構成
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