某电机多物理场耦合分析

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了利用ANSYS软件对电机进行多物理场耦合分析的方法。首先，通过电磁场分析获取电机的电磁参数和发热分布；接着，基于电磁场分析的热生成，进行流体-热耦合分析，评估电机的通风冷却性能；最后，结合电磁力和力矩分布以及温度分布，进行结构分析，评估电机的应力和变形情况，并进行了振动模态分析。整体模型包含电机定转子、支撑结构和空气等，并采用了标准国际单位制。计算结果涵盖了电磁场、温度、应力等多个方面的性能，展示了电机在不同工作条件下的性能特点，为电机设计和优化提供了有力支持。

1、概述

为了验证ANSYS耦合场分析功能在电机设计中的应用，采用ANSYS的多物理场耦合分析功能，对某机车牵引电机（包括定子、转子）的耦合场分析作了如下工作：

1 建立起电机用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；

2 首先进行电机磁场分析，计算获取了电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；

3 利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机的温度分布；

4 使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况。同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析。

所有分析相互间的载荷和边界条件的传递均由程序自动完成。

2、引言

众所周知，在电机设计与研究中，要涉及到电磁、绝缘、发热、通风冷却和力学等多种多样的问题，是一个典型的综合性研究学科，各学科之间是相互关联、相互影响的，是典型的多场耦合问题学科。由于多场耦合问题的研究十分复杂和困难，传统的电机分析研究方法，是把这些相互关联的问题分离，按各学科分类进行独立的研究。ANSYS是世界上唯一真正能够在同一个界面下，使用统一的数据库进行完善的电磁场、流场、温度场、结构（应力场）耦合分析的商业软件。应用ANSYS的这种多场耦合能力可以很方便地研究电机的多场耦合问题。

为了实际考核ANSYS的电磁、热、流体（通风冷却）、结构这些多物理场及其耦合分析在电机设计和研究中的应用能力， ANSYS公司成都办事处对某牵引电机进行了多物理场耦合研究分析。研究分析的内容为：

运用ANSYS软件建立起电机（包括定子和转子）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的几何模型和有限元计算模型；首先进行电机磁场分析，计算获取电机设计中所关心的磁场和磁密分布、矩角特性、电感等参数，并获得电机的电磁发热、电磁力和电磁力矩分布；在同一个分析模型上，利用电机磁场分析得到的热生成，进行电机的流体－热直接耦合分析，考核电机的通风冷却性能，得到电机在一定的通风量情况下的温度分布规律（同时还包括流体速度、压力等参数）；最后使用电机磁场分析得到的电磁力和电磁力矩分布、以及流体－热直接耦合分析中获得的温度分布，进行结构分析，得到考虑温度和电磁影响下的电机的应力和变形情况，并同时对电机定子、以及定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安全性能。

3、计算模型

运用ANSYS前处理的三维实体建模功能，建立电机的整体三维模型。模型包括：电机定子机座、定子铁芯、定子线圈、与基础连接的支撑、转子本体、转子磁极、转子线圈、空气等。几何模型总体如图2a所示，电机本体截面构成如图2b所示，电机纵向图如图2c所示。电机转子和定子间气隙宽度为3毫米。

在建立好电机的几何模型后，组合运用ANSYS多种多样的网格划分功能，对几何模型进行网格划分，单元全部采用六面体形式。有限元网格包括固体单元和空气单元。在有限元模型中，总节点数为162136个，总单元数为160552个，其中固体单元为66572个，空气单元为93980个。有限元模型如图3所示。

4、单位系统

本计算中所采用的单位系统为标准国际单位制:长度- 米(m)；质量-千克(Kg)；时间-秒(S)；速度-米/秒（m/s）；温度-度（°C）；比热-焦耳/（千克-度）（J/(kg-°C)；热传导系数-瓦/（米-度）（W/(m-°C)；导出单位:力－牛顿（N）；密度-千克/米 (Kg/m）；频率-赫兹(Hz)；应力-帕(Pa)；热生成率-W/m³。

5、载荷以及载荷的输入与传递

由于采用的是耦合场分析，所以电机的直接输入载荷仅仅是在进行电磁场分析时需要输入的定转子的电载荷。而在进行流体分析、热分析、结构分析时，不必人为从外部输入热载荷和结构载荷。电磁分析的计算结果包括流体、热分析所需要的热载荷和结构分析需要的力的载荷，在作流体和热分析时，程序自动从电磁分析的结果文件中读取（Ldread,,*.rmg）所需的载荷（热生成率），流体和热分析之间直接耦合。在作结构分析时，程序自动从流体和热分析的结果文件中读取温度分布，从电磁场分析的结果文件中读取力和力矩数据。由于计算模型一样，读取的载荷自动对应相应的位置，不需要进行人工干预。

电磁场分析的输入载荷为：励磁电流－170.8A×39安匝、负载电流为12×313.8安匝。

6、边界条件

1) 电磁场计算边界：

忽略电机外壳的漏磁，在外壳表面施加磁力线平行边界条件；

忽略端部效应，在两个端面施加磁力线平行边界条件。

2) 热和流体分析的边界条件：

环境温度设定为20°C；

风道入口温度设定为20°C；

风道入口速度给定为1m/s；流量（0.05m3/s）；

壁面为无滑移边界，即壁面速度为0；

风道出口处给定压力为0。

3) 结构分析边界条件：

定子机座与基础连接处进行位移约束。

7 计算结果

计算状态1：定子线圈空载，励磁电流为170.8A×39安匝。计算结果如下：

计算状态2：定子3相负载双层绕组，每层6匝，即负载电流为12×313.8安匝，励磁电流为170.8×39安匝。计算结果如下：

空载时，电机力矩为0。负载时，2维力矩为2861牛顿·米/米，考虑电机的长度为360毫米，则其力矩为2861*0.36=1030牛顿·米。3维力矩为1046牛顿·米，与2维计算结果相差约1.5％。可以通过计算2维矩角特性来反映3维矩角特性。由于本电机是循环对称，通过负载的相位变化来体现矩角特性。

以图9中蓝色加载所在相位为横轴得到电机矩角特性如图17所示。可以看到，当此相负载为60度时，另外两相负载分别为180度和300度，对称激励导致电机力矩为零。

对于电机空载，计算得到电机转子直流励磁线圈电感为8.4mh，可为电机控制电路设计提供参考依据。

利用ANSYS提供的快速处理工具，如标量方法和对称条件，对上述三维模型，在PIII866微机上只需几分钟就可以计算得到我们关心的结果，能够满足工程人员快速分析的要求。对于需要结果精度更高的模型，如含有7万个单元的矢量模型，在PIII866微机上计算时间为1.5小时。