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0 引 言
ANSYS软件在电机磁场分析中占有重要地位。对已经设计好的电机模型进行计算属于校核计算,在电机设计过程中对不同方案模型的计算属于预先计算。初级分析采用GUI(人机交互)操作方式是合适的,其主要优点就是人机交互,直观简单;但是,该方式每一步操作都需要人工干预,几乎很难完成复杂和动态计算。因此,ANSYS软件给了用户二次开发的APDL (ANSYS参数化设计语言) ,它是一门可用来自动完成有限元分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言, APDL允许复杂的数据输入,使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权。但是,基于APDL 开发的电磁场计算程序需要较为专业的维护,即在不同电机间移植过程中需要对源代码进行大量修改,修改后还需要重新调试,因此该程序通用性不强,稳定性和可靠性也不够理想。
本文以齿磁通法为算法基础,将有限元模型的建立与加载求解分开;通过UDL 实现了控制变量和电机物理参数的可视化输入,利用这些参数结合模块化结构的APDL 程序,使得整个分析过程不需修改源代码。在给定材料特性以及实体模型已经创建的情况下,仅在开始时一次性输入多个工况条件,整个求解过程将自动完成,因此具有操作简便、节省工时、计算量小、结果准确等特点。实现这一优化,重点解决了参数的传递、电枢绕组的通用模型以及循环控制等问题。
1 程序设计
本文将电机的几何尺寸以及电气参数统称为物理参数, 这些参数主要用于材料的分配、网格剖分、边界条件的定义、载荷施加等环节中,作为选择实体单元的控制参数。因此在GUI方式创建了实体几何模型后,这些参数需要通过界面方式输入到主程序中。而决定计算工况(如励磁电流、负载电流等)以及计算方法(如一次算法、齿磁通法)等的一些变量本文统称为控制参数,用户通过设置这些参数的值来选择所需的计算分析功能。
1.1 实体几何模型的创建
本程序采用半周期边界条件计算电机磁场,因此只需建立一个极距下的电机实体模型。考虑到电机结构的多样性,实体几何模型的创建采用GUI方式,但创建过程中需要遵循既定的一些规范,以便在计算分析过程中选择实体单元时不出现错误。在ANSYS的GUI下的每一步操作均记录在生成的log文件中,因此对log文件进行适当修改,即可得到电机实体建模的APDL命令流,保存为model.txt,作为创建实体几何模型子程序,保存在工作目录中,以备调用。图1为按照既定规范创建的实体模型。
1.2 电机磁场有限元分析的算法设计根据文献提出的齿磁通计算法,至少需要计算一个齿距下旋转N (N 通常取10～20)步的电磁场,然后根据每步的各个定子齿的磁通,并按照一定的办法进行扩展,得出旋转磁场的波形。此方法具有计算精度高,能方便计算绕组的电势波形和幅值等优点。
先前采用齿磁通法计算电磁场的APDL流程图如图2所示。转子旋转时,由于介质的改变,需要重新建立有限元模型,即每旋转一步后必须重新进行网格剖分。计算不同工况时(励磁电流改变或者电枢电流改变)只改变某些实体的载荷,有限元模型并不变化,而分析过程中往往需要同时对多个工况进行分析,因此该算法存在大量的重复计算。本程序将有限元模型的建立过程与计算求解过程分开,其流程图如图3所示。即将转子每旋转一步的N个有限元模型(完成网格剖分、边界条件定义)创建好,并保存在工作目录中,不同工况或者物理参数变动时只需顺次调用这些模型,而不必重新创建有限元模型,因此可以大大缩短计算时间。
1.3 电机物理参数及控制参数的界面化输入
本程序主要使用了以下两组UDL命令:
·MULTIPRO, ’start’, Promp t_Num
* CSET, Strt_Loc, End _Loc, Param _Name, ’
Promp t_String’,Def_Value
MULTIPRO, ’end’
·*ASK, Par, Query, DVAL
每组“MULTIPRO”命令可以实现10 个数值型参数的输入,当需要输入的参数较多时,可以使用多组命令,其中’Promp t_String’是对参数的提示或者解释。“*ASK”命令可以完成字符串和数值型参数的输入。需要输入的主要控制参数及物理参数分别如表1、表2所示。
1.4 电枢绕组的通用模型
与定子电流的加载电机空载时,电枢绕组可以当作气隙来处理,但是当电枢绕组中通以电流后就需要对定子各个槽中的电流进行计算赋值。定子绕组的排布变化多样,即使机座号相同(其有限元模型通常是一样的) ,不同规格电机的绕组排布也往往不同,因此使用先前的程序计算负载时需要大量修改APDL 程序源代码。要实现界面化加载负载电流,就必须解决程序的通用性,建立定子绕组的通用模型,从而在不修改源代码的情况下实现不同形式绕组的输入和处理。一台凸极同步发电机,定子槽数Z1=60, 极对数p=2,双层叠绕组,其U相一极下绕组展开图如图4 所示.
该绕组由5把线圈组成, 每把匝数为3, 跨距为1 - 14、2- 15、3 - 16、4 - 17、5- 18,即绕组最大跨度(该绕组最右边的槽号) Nmax为18, 因此可以用一个18维的向量Wu1表示,Wu1各个元素的绝对值为该槽包含U 相单支路绕组的导体根数;由于绕组的两边分别处于磁极的的N极和S极下,因此设定一边为正时另一边则为负值。因此图4中绕组对应的Wu1为
Wu1 = [ 3, 3, 3, 3, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,- 3, - 3, - 3, - 3, - 3 ] (1)
Wu1即为电枢绕组的基本向量, 整机绕组可以通过此向量扩展得到。U相绕组的下一条支路起始槽号应该为
其与Wu1的关系为:
Wu2的维数为n = 2 ×18 - (18 - 15) = 33。实际上电枢绕组是以Z1/P为周期循环的, 因此可令S1 = S31 , S2= S32 , S3 = S33 ,同时将S31、S32、S33 ,三个元素删除,从而得到新的向量:
在Wu1的尾部填补12个0元素, 得到一个30维的向量Wu4 :
则U相绕组向量可以表示为:
由于V相、W 相绕组分别与U 相绕组相距空间电角度+ 120°和- 120°, 因此可通过Wu 分别向左右移位得出V 相、W 相绕组向量Wv、Ww 。从而得出电机一对极下的电枢绕组电流向量为:
式中: Iu、Iv、Iw 分别为某一时刻U相、V相、W 相电流的峰值。将WI 各个元素除以每槽导体截面积便得到定子电密,将此电密值加载到定子绕组图元上即完成了定子电流的加载。从上可以看出,不管定子绕组为何种形式,程序运行时只要求输入基本绕组向量Wu1 , 整个电枢绕组和各个槽的电密便可通过后台运行的APDL程序得出,因此其通用性强,输入简单,工作量少。
1.5 参数的传递
图3中,当创建完有限元模型后,需要清除所有的参数以防止计算出错。由于要实现一次建立的有限元模型能为多次计算分析使用(此时控制参数通常将发生变化) ,而一旦使用命令RESUME调用有限元模型,系统所有参数将恢复为创建有限元模型过程中输入的参数,即用户新输入的控制参数将失去控制作用。为此, 可以使用“ PARSAV ”和“PARRES”命令实现参数的传递,达到修改参数的目的。
2 计算时间比较
分别用先前的程序与本程序对一台90 kW 的三次谐波励磁发电机的空载特性进行计算,计算采用齿磁通法,励磁电流取10个点,剖分精度等均相同,计算过程中使用同一台计算机,操作者对APDL熟练。首次分析时,使用先前的程序除了定义材料外其他过程均需修改或者重新编写源代码,使用本程序只需根据弹出窗口界面提示输入对应的控制参数或者物理参数,因此节省了大量的操作时间。表3列出了这两套程序的耗时情况。
从表中可以看出,由于无需修改源代码,在操作耗时方面仅为先前程序的1/5;当电机结构或工况改变时,本程序不再重新网格剖分,相比缩短了约一半的计算时间。实际上,当电机极数等不同时,由于先前的程序的可移植性差,其耗费的时间将更大,且修改过程中极易容易发生错漏现象,需要反复调试。而使用本程序则不涉及源代码修改,操作上节省了大量时间。对多个工况进行分析时,本程序的优势是十分明显的。另外由于本程序通过界面操作,因此使用简单,即使用户对ANSYS软件和APDL不熟悉也可以方便使用。
3 结 语
程序的界面化可以大大改善用户与机器的沟通途径,本文介绍了基于ANSYS二次开发语言UDL与APDL相结合开发界面化电机磁场分析程序的过程。程序实现界面化后使用方便,整个分析过程用户不用修改源代码,仅需按照电机结构输入物理参数和分析需要的控制参数。本程序适用于大多数常规结构的凸极同步电机,因此对于并未掌握ANSYS的电机分析者,通过本程序即可实现电机磁场的复杂计算。通过对多台不同结构的凸极同步电机进行计算比较,证明了本程序结构合理,计算速度高,结果准确,通用性强。
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