基于Ansoft的同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與仿真

張 琪，張 艷，張 威

（1．國(guó)網(wǎng)漢川市供電公司，湖北 漢川431600；2．三峽大學(xué)，湖北 宜昌443002）

0 引 言

近幾年，隨著工業(yè)發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣泛。同步電機(jī)因?yàn)榫哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)而成為新一代高效節(jié)能電機(jī)的的主要類(lèi)型。同時(shí)同步電機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空、交通、國(guó)防、建筑、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的等各個(gè)領(lǐng)域，大力研究和推廣同步電力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析，可以直觀地呈現(xiàn)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，更有效地對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，同時(shí)也是計(jì)算其他物理場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)）的基礎(chǔ)。

1 模型建立

1.1 二維模型建立

根據(jù)相關(guān)計(jì)算確定電機(jī)的相關(guān)尺寸和相關(guān)參數(shù)，利用Ansoft軟件中的 Maxwell 2D，建立同步電機(jī)模型圖，如圖1所示。

1.2 模型網(wǎng)格剖分

設(shè)置剖分網(wǎng)格長(zhǎng)度：將相同或相近的物理模型分為一組，設(shè)置相同的網(wǎng)格長(zhǎng)度；將較大模型的網(wǎng)格長(zhǎng)度進(jìn)行放大。對(duì)于本文的同步電機(jī)，將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵芯分為一組，定子繞組一組，轉(zhuǎn)子繞組一組，外層區(qū)域和氣隙一組，且均采用三角形剖分，設(shè)置如下網(wǎng)格剖分長(zhǎng)度：

鼠籠條區(qū)域設(shè)置：Length＿Bar＝1．5 mm。

定子繞組區(qū)域設(shè)置：Length＿Coil＝2．5 mm。定轉(zhuǎn)子鐵芯區(qū)域設(shè)置：Length＿Core＝4．6 mm。外層區(qū)域設(shè)置：Length＿Out＝1mm。網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2所示。

圖1 同步電機(jī)二維模型

圖2 模型剖分

1.3 模型求解和后處理

（1）模型求解：施加模型的邊界條件和激勵(lì)源，設(shè)置材料屬性，不用另外施加激勵(lì)，模型求解過(guò)程的收斂圖如圖3所示。

圖3 模型求解收斂結(jié)果圖

（2）后處理及分析：通過(guò) Maxwell 2D／Analysis all命令，完成細(xì)化剖分、求解矩陣、計(jì)算力與力矩的分析。經(jīng)過(guò)后處理階段得到同步電機(jī)指定路徑上的圖4徑向磁密分布、圖5磁力線分布圖和圖6磁通密度云圖分布圖。借助這幾個(gè)圖，確定電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的分布情況和不同位置磁場(chǎng)的飽和情況，進(jìn)而精細(xì)地優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

圖4 指定路徑上的徑向磁密分布

圖5 同步電機(jī)磁力線分布圖

圖6 同步電機(jī)磁通密度云圖分布

2 結(jié)果分析

圖4為氣隙徑向磁密分布，大致為正弦波。圖5為同步電機(jī)磁力線分布，磁力線密度大的位置分布于定轉(zhuǎn)子對(duì)中位置的定子繞組槽附近，以繞組槽為中心向兩側(cè)均勻遞減，分布情況認(rèn)為是相對(duì)均勻的，且可以明顯的看出電機(jī)的四個(gè)極。圖6為電機(jī)磁通密度云圖，根據(jù)顏色確定電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的具體分布情況，顏色不同，磁密值不同，從圖中顏色分布不僅可以看出電機(jī)各部分磁密的大小，而且可看出不同部分磁場(chǎng)的飽和情況，可以判斷電機(jī)磁路設(shè)計(jì)較為合理。