稀土永磁電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析自動(dòng)化技術(shù)

李聲晉蘆  剛  馬瑞卿

    竇滿鋒  李鐘明    (西北工業(yè)大學(xué))

【摘  要】互電機(jī)電磁場(chǎng)分析的自動(dòng)化技術(shù)是長(zhǎng)期困擾電機(jī)精確設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，文中通過(guò)分別構(gòu)造自動(dòng)化數(shù)據(jù)前處理系統(tǒng)、通用有限元求解器、自動(dòng)化后處理系統(tǒng)等，使電機(jī)電磁場(chǎng)的有限元分析簡(jiǎn)單可行。

【敘  詞】永磁電機(jī)磁場(chǎng)有限元法自動(dòng)化

1  引  言

    與等效磁路法不同，用有限元法求解電機(jī)電磁場(chǎng)具有計(jì)算精確、全局磁場(chǎng)分布清晰直觀、計(jì)算不受結(jié)構(gòu)的限制等優(yōu)點(diǎn)，但已有的各電機(jī)電磁場(chǎng)分析軟件使用很不方便，它要求設(shè)計(jì)者不僅要具備較系統(tǒng)的有限元理論及過(guò)程、數(shù)據(jù)前處理的能力，還要對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、程序操作及使用的電磁場(chǎng)分析程序熟悉。另外，由于電機(jī)類型、結(jié)構(gòu)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(dāng)復(fù)雜，需經(jīng)多次反復(fù)，才能得到正確的磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，因而電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析的自動(dòng)化一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的課題之一。隨著計(jì)算機(jī)及CAD的不斷普及，有限元分析自動(dòng)化軟件的用戶界面作為和設(shè)計(jì)者交流的接口，已對(duì)軟件的市場(chǎng)起很重要的作用^[1,2]。

2自動(dòng)化數(shù)據(jù)前處理

    電磁場(chǎng)分析自動(dòng)化的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)前處理的自動(dòng)化技術(shù)，國(guó)外對(duì)這方面的研究很活躍，已形成商品化的軟件有美國(guó)MSC公司的數(shù)據(jù)前／后處理軟件MSC／XL等，國(guó)內(nèi)如上海工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、河北工學(xué)院等也均有諸多研究。本文所介紹的自動(dòng)化數(shù)據(jù)前處理系統(tǒng)的特點(diǎn)在于其設(shè)計(jì)構(gòu)思是面向用戶的。

    由于齒槽及磁極的形狀繁多、結(jié)構(gòu)差異大，且各結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍及求解區(qū)域等無(wú)法預(yù)先確定，因而給數(shù)據(jù)前處理的自動(dòng)化帶來(lái)極大的困難。本系統(tǒng)從網(wǎng)格劃分著手，通過(guò)構(gòu)造具有自適應(yīng)的基本剖分單元構(gòu)成準(zhǔn)則，針對(duì)電機(jī)的各媒介沿電樞圓周均勻或分段均勻這一特點(diǎn)，采用帶狀層網(wǎng)格劃分，將每層的節(jié)點(diǎn)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(dòng)化。本自動(dòng)化前處理系統(tǒng)已能剖分的有定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩種。

2．1定子結(jié)構(gòu)

·定子瓦片磁鋼結(jié)構(gòu)(徑向充磁)。

·定子矩形磁鋼結(jié)構(gòu)(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(kāi)口梯形槽。

2．2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

·轉(zhuǎn)子瓦片磁鋼結(jié)構(gòu)(徑向充磁)。

·轉(zhuǎn)子矩形磁鋼結(jié)構(gòu)(切向充磁)。

·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口梯形槽。

·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口底半梨形槽。

·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口梨形槽。

·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口口半梨形槽。

·轉(zhuǎn)子閉口、半閉口圓形槽。

·轉(zhuǎn)子開(kāi)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(dāng)成熟，但大部分電磁場(chǎng)有限元分析程序都是一個(gè)單一的獨(dú)立整體，磁場(chǎng)分析必須經(jīng)過(guò)一些手工的初始化過(guò)程，尤其當(dāng)剖分單元節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)處理量大時(shí)，必須在程序內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)／外存分配，這就需磁場(chǎng)分析者對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言及程序相當(dāng)熟悉，因而它仍不是面向電機(jī)設(shè)計(jì)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(wèn)題，而且針對(duì)不同的數(shù)據(jù)處理量(不同的結(jié)構(gòu)、求解區(qū)域、剖分精度等)及用戶不同的硬件配置，開(kāi)發(fā)了兩種求解模式(小容量實(shí)模式、大容量虛模式)，基本解決了電磁場(chǎng)求解中遇到的各種情況。  

4自動(dòng)化數(shù)據(jù)后處理

  有限元算法求解電磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)是磁參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確、全局磁場(chǎng)分布清晰、直觀，而已有的電磁場(chǎng)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(dòng)化常規(guī)后處理功能，如氣隙磁密、磁通、計(jì)算極弧、氣隙磁密分布、磁位線分布等，還增加了全局磁場(chǎng)磁通密度(標(biāo)量)彩色噴繪功能及全局磁場(chǎng)磁通密度(矢量)方向圖，從而使電機(jī)設(shè)計(jì)者能真正清晰、直觀地了解電磁場(chǎng)全貌。自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)及構(gòu)成

  該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)前處理、有限元求解及后處理均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)造良好用戶接口管理系統(tǒng)(UIMS)，將各分系統(tǒng)及執(zhí)行程序都集成為一個(gè)主控菜單，并加以漢字化，用戶只需選擇欲執(zhí)行的菜單項(xiàng)，即可自動(dòng)完成各分系統(tǒng)的功能。用戶界面及菜單的構(gòu)成等見(jiàn)文獻(xiàn)[4]，本系統(tǒng)的構(gòu)成及功能為：

·有限元數(shù)據(jù)前處理。

    ·有限元求解器(實(shí)模式)。

    ·有限元求解器(虛模式)。

    ·有限元數(shù)據(jù)后處理。

    ·軟磁材料庫(kù)維護(hù)。

    ·硬磁材料庫(kù)維護(hù)。

    ·結(jié)束。

6結(jié)語(yǔ)

    本文所述的自動(dòng)化電機(jī)電磁場(chǎng)分析系統(tǒng)是建立在數(shù)據(jù)前／后處理自動(dòng)化、有限元求解通用化及軟、硬磁材料及數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)化前提下，通過(guò)構(gòu)造良好的用戶界面及接口管理系統(tǒng)而完成的，達(dá)到了工程實(shí)用的程度。

自動(dòng)化分析系統(tǒng)因不需電機(jī)設(shè)計(jì)者了解有限元理論、數(shù)據(jù)前／后處理乃至語(yǔ)言、程序等，只需通過(guò)簡(jiǎn)單便捷的操作，就可獲得電磁場(chǎng)結(jié)果，因而很適合電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富而計(jì)算機(jī)及有限元不熟悉的工程技術(shù)人員使用。