《双凸极结构的电机》PPT课件.ppt

1,建立子目录 c:ansys56novice 程序ANSYS 5.6Interactive,点击Run,键入,2,Main Menu:,Utility Menu:可以看到jobname在Utility Menu上显示出来,ANSYS Input,ANSYS Toolbar,3,学习ANSYS自带的例子，一个直流制动器的电磁场分析可以通过：电磁场分析培训手册的第二章 第一节 尽管分析的不是电机，这个简单的例子可以使你了解ANSYS的分析流程。简言之：前处理，求解，后处理。所有的分析都是遵循这个过程，所不同的是前处理会因实际问题而不同，比这个例子要复杂得多。通过本例，你也可以熟悉将来要多次使用的菜单。有一句话，磨刀不误砍柴功。也可以通过联机帮助：Utility MenuHelpANSYS Tutorials点击ANSYS Tutorials点击Tutorial List点击题为Emag的图（或者点击右边的Magnetic Analysis of a Solenoid Actuator),4,现在我们来分析一个双凸极结构的电机结构如图：定子6齿，转子4齿,代表绕组,定子,转子,5,对直流制动器做电磁场分析时，采用的是线性模型。本例采用非线性模型，用磁化曲线来描述铁磁材料的磁导率。为简化分析，假设如下：（1）电机磁场沿轴向无变化，忽略端部效应，简化为二维电磁场问题（2）铁心冲片各向同性，磁化曲线单值（3）电机外部的磁场忽略不计，定子外表面圆周为一零矢量位面（4）忽略涡流效应,6,设置预选过滤掉其他应用的菜单Main MenuPreferences 选Magnetic-Nodal,7,Utility MenuParametersAngular Units 选Degrees DEG 点击OK以下的操作中，凡是弹出窗口，都需要有某种形式的确认。一般，OK是确认并关闭窗口。Apply是仅确认，不关闭窗口,适用于有多次输入操作的情况。以后这步操作就不再赘述了。在ANSYS Input窗口中，键入d1=77.5/1000，回车确认,8,输入以下数据：d2=62/1000d3=47.5/1000d4=47.2/1000d5=35/1000d6=19/1000turn=50an1=30*0.4463 an2=45*0.3273 a1=d3/2b1=sin(an1)*d3/2 a2=d4/2b2=sin(an2)*d4/2,9,输入结束，检查是否有误 Utility MenuParametersScalar Parmeters,在弹出Scalar Parmeters窗口中可检查所有变量的值。如果有误，可在此窗口中重新输入一遍。在弹出Scalar Parmeters窗口中输入变量的值与在ANSYS Input窗口中输入是完全等效的。,10,除非特别说明，圆（面、线）均同心，圆心位于坐标原点。一、定子1画定子轭半径分别为d1/2,d2/2的圆环Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-CircleAnnulus,键入,11,保存数据库文件：Utility MenuFileSave as Jobname.db经常保存数据库文件是很好的工作习惯。更方便的方法是点击ANSYS Toolbar中的SAVE_DB。如果有一步做错了，只要RESUME_DB即可。下一次进入ansys，打开这个文件的方法是：Utility MenuFileResume Jobname.db或者点击ANSYS Toolbar中的RESUME_DB这与普通的打开文件是有些区别的，你找不到open这一菜单。,12,(2)将WP沿Y轴移动b1,再绕X轴旋转90度，切割此圆,复位WPUtility MenuWorkPlaneOffset WP by InrementsSnaps!平移WPX.Y.Z Offsets,键入0,b1,0,Degrees!旋转WPXY,YZ,ZX Angles,键入0,90,0,!观察此时屏幕显示的三根轴位置的变化,2画定子齿(1)画半径为d2/2的圆 Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-AreasCircleSolid Circle,13,(3)将WP沿Y轴移动（-b1）,再绕X轴旋转90度，切割下半个圆，复位WP只要把以上的操作步骤中“键入0,b1,0”改为“键入0,-b1,0”，选中下半个圆，就可以了。,Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-DivideArea by WrkPlane点击图形，在弹出的 Multiple_Entities对话框中，通过Prev 或Next选中圆,Utility MenuWorkPlaneAlign WP withGlobal Cartesian如果想看看WP是否已复位，Utility MenuPlotReplot,Replot提供的是刷新屏幕的功能，有时，某些操作进行后，从屏幕上看不出有什么作用，这时，用Replot，就可以看到预计的效果了。,14,(4)删除半径为d2/2的圆的上下两块面，只留下中间的一块Preprocessor-Modeling-DeleteArea and Below,(5)画半径为d3/2的圆 Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-CircleSolid CircleWP X,键入0WP Y,键入0Radius,键入d3/2,15,(6)齿=（中间的一块面）-（半径为d3/2的圆）Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-SubtractAreas选中被减面，Apply,选中减面 Ok,(7)相隔60度，再复制两对把当前坐标系改为柱坐标Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to Global CylindricalPreprocessor-Modeling-CopyAreas选中这对齿,16,选中刚才复制好的这对齿，重复以上操作,复位当前坐标系为直角坐标系Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to Global Cartesian!复位至缺省值是非常重要的操作。上面我们已经用到了WP的复位，Active CS的复位。后面还将用到Select的复位。建立起及时复位的概念很有必要。,17,二、转子1旋转定子45度Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to Global CylindricalPreprocessor-Modeling-Move/Modify-Areas-AreasPick AllDX X-offset in active CS 键入0DY Y-offset in active CS 键入45DZ Z-offset in active CS 键入0,Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to Global Cartesian,18,2画出转子齿，轭，轴（1）画一个长方形Preprocessor-Modeling-Create-Areas-RectangleBy Dimensions,(2)画半径为d4/2的圆,(3)二者作相交运算Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Intersect-Common-Areas Common：得到所有图形相交的部分相对的是 Pairwise：得到所有图形两两相交的部分 尽管二者是不同的命令，用在这里效果一样。,19,(4)把所得到的图形旋转90度复制一次(5)把(3)(4)两步结果相加Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-AddAreasUtility MenuPlotReplot,20,(6)画半径为d5/2的圆(7)把(5)(6)两步结果相加,(8)画半径为d6/2的圆周Preprocessor-Modeling-Create-Lines-ArcsFull Circle在ANSYS Input窗口中，键入0,0,0在ANSYS Input窗口中，键入d6/2,21,(9)用此弧线切割转子面Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-DivideArea by Line,三、总模型1气隙画半径分别为d3/2 d4/2的环面,22,2整合这个模型(1)画半径为d1/2的圆(2)覆盖所有面Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-OverlapAreasPick All,3切割出绕组区域(1)将WP绕X轴旋转90度(2)将所有面旋转(-15)度(3)用WP切割面(4)同样的方法来切割出另外两相的绕组区域，只需将所有面旋转60度，用WP切割面，再将所有面旋转60度，再切割一次。,23,(5)复位WP几何模型就完成了。,定义材料1空气区域，MAT=1 绕组区域 MAT=3 4 PreprocessorMaterial Props-Constant-IsotropicSpecify Material number 键入3MURX 键入1Specify Material number 键入4MURX 键入1,点击Apply,24,2铁区 输入磁化曲线在ANSYS Input窗口中，键入：tb,bh,2 tbpt,290,1.2 tbpt,300,1.25 tbpt,354,1.3 tbpt,450,1.35 tbpt,620,1.4 tbpt,940,1.45 tbpt,1420,1.5 tbpt,2220,1.55 tbpt,3300,1.6 tbpt,4830,1.65 tbpt,6600,1.7 tbpt,8800,1.75 tbpt,11500,1.8 tbpt,15100,1.85tbpt,19300,1.9 观察B-H曲线，在ANSYS Input窗口中，键入tbplot 回到原来的图形：Utility MenuPlotAreas,25,3分配材料属性Preprocessor-Attributes-DefinePicked Areas铁区分配2,一相绕组中，电流流出分配3，流入分配4，其余均为1。MAT Material number 按以上原则分配。观察材料的分配情况Utility MenuPlotCtrlsNumberings,26,划分网格PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete点击AddPreprocessorMeshTool选中Smart SizeMesh 选中AreasShape 选中Tri选中Free点击Mesh,27,点击Pick All,28,加载(1)先求得绕组区域的面积Utility MenuPlotAreasUtility MenuPlotCtrlsNumberings观察图形，选择面号2，作为被测量的面Utility MenuParametersGet Scalar Data,29,(2)输入电流密度值在ANSYS Input窗口中，键入if=2jf=if*turn/sarea(3)选择加载区域在ANSYS Input窗口中，键入：/solu esel,s,mat,3 bfe,all,js,1,jf esel,s,mat,4 bfe,all,js,1,-jf esel,all,30,求解(1)加边界条件Utility Menu PlotLines Main MenuSolution-Loads-Apply-Magnetic-Boundary-Vector Poten-On Lines选择半径为d1/2的四条弧线,(2)开始求解在ANSYS Input窗口中，键入：/post1 magsolv,31,查看结果在ANSYS Input窗口中，键入/post1 plf2d这样我们画出了等AZ线。,32,利用宏lmatrix求解绕组的电感值在ANSYS Input窗口中，键入esel,s,mat,3,4 cm,wind1,elemesel,all/POST1*dim,cur,1symfac=1 cur(1)=if lmatrix,symfac,wind,cur,ind得到：_ LMATRIX SOLUTION SUMMARY _ Self inductance of coil 1.=0.20463E-01Inductance matrix is stored in array parameter ind(1.,1.)Inductance matrix is stored in file ind.txt 这样就完成了一个基本的分析过程。,33,看看log文件你刚才所做的每一步分析（不管是对的还是错的），jobname.log文件都记录下来了，它可以用notepad打开。Utility MenuListFilesLog File如果想知道每一条命令是什么意思，通过Utility MenuHelpHelp Topics不过更简单的办法是执行一下这条命令。要注意的是，log文件中的有些命令次序是不可以更改的。所以我们先顺着次序来执行。用Interactive进入，设定新的路径及jobname。你可以：拷贝几条命令至ANSYS Input，回车，直至把整个log文件执行完。如果一次拷贝了太多条命令，ANSYS不能执行完。ANSYS Input的上半部分会显示出已经执行的命令。所以一次不要太贪心。如果确实有必要执行很多条命令，可以把它们存成txt文件，然后用下面的方法Utility MenuFileRead Input from,选择你原来的jobname.log,34,如果原来的log文件丢失了，可以先Utility MenuFile Resume from,选择原来的jobname，然后Utility MenuFile Write DB Log File，得到后缀为lgw的文件，它可以像log文件一样来作为输入文件。Read Input from不怎么挑剔，log、lgw、txt，来者不拒，只要是命令就执行。如果你的命令中有很多错误，它是不会替你去伪存真的。所以对log文件不做任何处理就运行不是明智的选择。当然对那些能一气呵成全部分析任务，中间不出任何错误的高手，这样说就不对了。推荐一种分析方法：进行了几步操作后，Utility MenuList FilesLog File，把这几步的命令拷贝至一个txt文件。Utility MenuFile Read Input from此txt文件。这样就保证了文件中都是正确且必要的命令。,35,请注意：为不同的分析任务设定不同的路径及jobname，首次进入时:程序ANSYS 5.6Interactive 下次：程序ANSYS 5.6Run Interactive NowANSYS默认的角度表示为弧度，但可以改为角度可以通过ANSYS Input 或Scalar Parameter来输入数据，二者等效输入尺寸时，全部使用国际单位制可通过级连菜单或命令来操作，建模阶段多用菜单，求解及后处理多用命令建立几何模型时，把整个模型变成一个整体，这样边界条件及激励才能通过节点及单元作用于整个模型。相邻的图形，如果没有glue，或者 overlap，看起来好象融为一体了，其实有“缝隙”，不会形成公用的节点，即互相不关联。求解时，边界条件及激励只对模型的一部分有效，肯定无法得到正确的结果。,36,基本概念（一）WP：即工作平面，可移动的参考平面。光标代表空间中垂直于屏幕的一条线。为了能用光标拾取一个点，首先必须定义一个假想的平面。当该平面与光标所代表的垂线相交时，能唯一地确定空间中的一个点。这个假想的平面就是工作平面。工作平面可以不平行于显示屏。缺省的工作平面是Global Cartesian的X-Y平面。工作平面的X Y轴分别取为Global Cartesian的X 轴和Y轴。Active CS:当前坐标系，常用的是Global Cartesian(默认值），Global Cylindrical.需要对图形作X-Y平面上的旋转时，就要把Active CS 改为Global CylindricalSelect 选中了图形的一部分后，下面的操作只对这些选中的部分有效，本例中，如果漏了esel,all，那么，下面的程序就只对MAT=3,4的面有作用。换言之，参与下面计算的模型就不再是一个完整的电机横截面了。所以要及时Utility Menu Select Everything复位 改变了WP、Active CS、Select的状态，一定要及时复原。,37,基本概念（二）模型的结构层次：,一般来说，只有最高层的才能被修改。举个例子，如果要修改位于下层的line，则要删除其上的elements,nodes,volumes,areas。这在布尔操作中是必须牢记的，但也有例外，详见建模及分网指南。Select中，有from full,reselect,also select,这些都是针对同一层次的模型而言。如果要同时选中不同层次中的模型，这些操作的效果是一样的，尽管在命令流中有区别。,38,现在你可以自己来分析一个转子位于一定位置，励磁电流一定的电机了。如果你的模型与本例不同，在输入模型时，要注意以下几点：尽量使用参数，避免每次输入实际数值。比如用d1,d2来表示直径。这样做的好处是：1避免多次输入实际数值而出错 2如果模型做小的调整，比如d1的值取得大一些，只要对log文件做修改，很方便。及时检查输入工作的正确性。方法：Utility MenuListAreas可以看到有关被选中面的所有信息。也可以Utility MenuPlot画出你感兴趣的面或线。,39,对于双凸极电机来说，我们感兴趣的是当转子位于不同位置、电流大小不同时，磁场的分布及电感的大小。可以为每一种情况(转子位于某一位置、电流为某一值)建立模型，进行分析。但是这样做的效率实在是太低了，因此我们必须引入“循环”。电流的循环：把电流值赋给数组，用数组的下标作为循环变量。电流取不同值，重新加载，求解。转子位置的循环：定义0度(比如当转子齿正对定子槽时)。把不同的角度赋给数组，每次将转子旋转一定角度。电流的循环对几何模型没有影响，放在内层；转子位置的循环改变了几何模型，置于外层，有利于提高计算效率。下面首先介绍电流的循环。,40,ncurr=4!取四个不同的电流值*dim,if,ncurr!定义电流数组，维数由参数ncurr决定，尽管这比!直接*dim,if,4多了一行，调试程序时要方便得多if(1)=10,20,35,50!赋值，注意写出起始下标 要是你愿意写if(1)=10 if(2)=20 当然也可以了，只要你不嫌麻烦*do,iii,1,ncurr！凡是if 的位置均以if(iii)替代jf=if(iii)*tf/sf*SET,cur(1),if(iii)!循环体中为加载、求解的全过程*enddo 好象可以循环了，运行到lmatrix时，却不得不干预程序的运行，并未完全自动执行。因此，要对lmatrix这个宏“动手术”。,41,对宏lmatrix“动手术”用notepad打开位于ansys56docu的lmatrix.mac文件将其复制到当前目录，对“复制品”进行修改。由提示信息，循环中断是因为重定义数组，因此最主要的任务是把数组的定义挪到循环外，相应地作一些其他的改动。在主程序中添加：_nrows=1！线圈的个数*dim,cur,_nrows删除：*get,_nrows,parm,_cur,dim,x，移动至主程序中、循环外：*dim,_jname,char,2*dim,_ind,array,_nrows,_nrows*dim,_ene,array,_nrows,_nrows*dim,_nami,char,_nrows 修改/out,lmatrix,out为/out,lmatrix,out,append，使输出方式变为追加方式（默认为覆盖方式）删除：以下两个标题之间的内容!-define output inductance array with name arg4!-reinstall operating database,42,小结：为了实现对多个电流值的自动求解，我们用到了：do循环*do,循环变量，起始值，终止值，步长 循环体*enddo ansys的宏，并对其进行了初步修改。后面还将为了完善后处理而 继续修改它。其实，一段经常使用的程序，可以保存为当前目录下的mac文件，这样只要在ANSYS Input中键入文件名，就可以执行了。这比每次都Utility MenuFile Read Input from要快捷多了。,43,实现转子位置的循环比电流循环麻烦多了。你需要修改几何模型，还要接触约束方程。方法是：建立定子及有关部分的模型，划分网格（较细），生成节点组件建立转子及有关部分的模型，划分网格（较粗），生成单元组件生成约束方程（定子及有关部分、转子及有关部分是分别建立模型，分别划分网格的，彼此没有关联。通过约束方程，它们形成了一个整体。）转子位置循环的思想为：循环体外：定义边界条件循环体内：转动转子位置，设置约束方程，加载，求解，删除约束方程,44,定义其为componentSelectComp/AssemblyCreate Component，键入statormade of areas,先画出几何模型（包括气隙）,45,划分网格（采用smart),1选择最内层半径的节点做成component nnnUtility MenuSelectEntities 选择By Location将当前坐标系改为柱坐标系键入即最内层的半径,46,PlotNodes 看到只有半径为d4/2的节点被选中SelectComp/AssemblyCreate Component，键入nnnSelectEverything复位坐标系（切记）2选择整个转子单元做成component rotor不选中定子部分,47,定义其为componentmade of areas，名为rota,之所以要定义这么一个component是因为转子位置不同时，要使用PreprocessorMove/ModifyAreas定义成component，在程序中以rota可以代替一大串面号。,48,对这一部分划分网格？，不选中smart size定义其为Componentmade of elems，名为rotorATTENTION:在半径为d4/2处，存在两组节点，较细的由定子部分划分而得，较粗的由转子部分划分而得，现在它们是各自为政的。3建立约束方程（对邻近的节点和单元）SelectEverythingSelectComp/Assembly Select Comp/Assembly，选中nnn，Apply再选中rotor，OkPlotComponentsSelected Components,49,PreprocessorCoupling/CeqnConstraint EqnAdjacent Regions键入az,50,PlotElements此时的网格与统一划分的有区别，但都是互相关联的。4要解除这种关联，PreprocessorCoupling/CeqnConstraint EqnDel Constr Eqn键入all,51,下面给出一个完整的分析一相绕组的程序,所有的文档均应放在同一个目录下。,