劉杰 吳凡夫 梅建偉

摘要：課題利用ANSYS軟件建立了三相異步電機(jī)仿真模型，對(duì)物理環(huán)境、定子/轉(zhuǎn)子等模型建立以及單元屬性類(lèi)別等涉及到三相異步電機(jī)建模的幾個(gè)關(guān)鍵要素進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，利用matlab建立了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)模型，分析了ANSYS與matlab的協(xié)同仿真技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使得抽象的概念更加清晰直觀(guān)，滿(mǎn)足了電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：ANSYS;三相異步電機(jī);建模;仿真

傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)中開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)成本高，而現(xiàn)代電機(jī)由于磁極形狀、齒槽分布等復(fù)雜多樣，使得磁路十分復(fù)雜，使得經(jīng)典的電機(jī)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要。針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中的核心問(wèn)題，采用ANSYS軟件建立異步電機(jī)定子/轉(zhuǎn)子等模型，與其他軟件協(xié)同仿真，準(zhǔn)確地計(jì)算出電機(jī)的磁場(chǎng)分布、電感、力矩等，分析電機(jī)的散熱、機(jī)械特性以及電磁性能[1]。

1 ANSYS三相異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

ANSYS電機(jī)及控制系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)方案可解決電機(jī)本體及控制系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)、方案優(yōu)選和電機(jī)精確電磁性能分析等問(wèn)題。用戶(hù)還可根據(jù)需要，補(bǔ)充結(jié)構(gòu)、噪聲分析等軟件，即可實(shí)現(xiàn)單向或雙向的電機(jī)多物理域協(xié)同設(shè)計(jì)、高精度電機(jī)及控制系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)等[2]。

三相異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：異步電機(jī)本體和控制系統(tǒng)建模、協(xié)同仿真技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和處理。基于ANSYS的異步電機(jī)建模的實(shí)質(zhì)是在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行電機(jī)，主要分為前處理（建模）、網(wǎng)格劃分、加載設(shè)置求解以及后處理。建?？梢允褂肎UI控制流或者命令流，首先建立異步電機(jī)的各單元，比如定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子等，再對(duì)每一部分進(jìn)行劃分網(wǎng)格和單元類(lèi)型定義，保證電機(jī)建模的完整性。

2 異步電機(jī)建模步驟

2.1 物理環(huán)境的創(chuàng)建

物理環(huán)境的創(chuàng)建主要包括定義工作標(biāo)題、定義文件工作名、定義分析類(lèi)型、進(jìn)入前處理、異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子基本參數(shù)設(shè)置、參數(shù)和單元類(lèi)型定義以及組件特性定義。

本文主要采用命令行語(yǔ)句對(duì)定子、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，主要命令行語(yǔ)句為：定義鐵心外徑outer_stator=1400/1000，定子槽數(shù)nslot_stator=72，相數(shù)m_phase=3，極數(shù)n_pole=4，導(dǎo)線(xiàn)寬度ss_clw=16/1000，并繞導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)ss_clh=4/1000等。

對(duì)單元類(lèi)型進(jìn)行定義，主要包括AZ自由度用于空氣和絕緣區(qū)域et，1，53，0，AZ自由度用于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)導(dǎo)條et，3，53，1等。

對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行定義，主要包括空氣導(dǎo)磁率：mp，murx，1，1，定子導(dǎo)體導(dǎo)磁率：mp，murx，2，1，定子導(dǎo)體電阻率：mp，rsvx，2，0.0434e6。

2.2 定子/轉(zhuǎn)子幾何模型創(chuàng)建

物理環(huán)境、結(jié)構(gòu)參數(shù)等設(shè)定完成后，再創(chuàng)建72個(gè)定子槽，調(diào)用csys命令，將坐標(biāo)變化為極坐標(biāo)，每個(gè)定子槽間隔4.8度。將生成的組件鐵芯和定子槽區(qū)域相減，便得到完整的定子鐵芯。以定子鐵芯內(nèi)徑減去氣隙的半徑，和定子鐵芯的外徑形成一塊同心圓的區(qū)域，選定這個(gè)區(qū)域和定子鐵芯相減，就可以得到氣隙。創(chuàng)建轉(zhuǎn)子的幾何模型的步驟與建立定子幾何模型的步驟相似，重復(fù)上述定子鐵芯建模的步驟，在命令行語(yǔ)句中按照轉(zhuǎn)子鐵芯以及繞組的尺寸和參數(shù)進(jìn)行重新定義[3]。

2.3 單元屬性類(lèi)別

在建立異步電機(jī)各個(gè)部分組件的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)組件部分的單元屬性類(lèi)別進(jìn)行劃分和定義，在執(zhí)行命令以后，就可以得到異步電機(jī)的仿真模型和仿真結(jié)果，如圖1、2所示。

3 協(xié)同仿真技術(shù)

在Matlab中建立好異步電機(jī)矢量控制模型，在進(jìn)行聯(lián)合仿真之前，首先將Simplorer文件中的AnsoftLinkDialog、AnsoftSFunction.dll、AnsoftSFunction.h加載到Matlab的掃描路徑中，完成Matlab的相應(yīng)設(shè)置。設(shè)置完成后，在Simplorer創(chuàng)建相應(yīng)的工程和進(jìn)行配置后就可以進(jìn)行聯(lián)合仿真[4]，仿真模型和波形如圖3、4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS軟件建立了三相異步電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和氣隙模型，并且利用ANSYS軟件工具對(duì)其電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了仿真，通過(guò)與其他電機(jī)控制應(yīng)用軟件相結(jié)合，可以對(duì)三相異步電機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同仿真，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立不僅能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)電機(jī)及其結(jié)構(gòu)的深入了解，而且還能為電機(jī)設(shè)計(jì)以及性能分析打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙魯.基于Simplorer場(chǎng)路耦合多物理域聯(lián)合仿真[M]].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.3.

[2]胡仁喜.ANSYS13.0電磁學(xué)有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.1.

[3]夏正澤.基于場(chǎng)路耦合法的異步牽引電機(jī)電磁場(chǎng)分析[J].微電機(jī)，2009.3（24）.

[4]]劉雪梅，倪澤浩，李?lèi)?ài)平.基于ANSYS的大型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，06：480484.