270 V高壓稀土永磁直流電動機電磁場分析

摘要：具體詳述利用Ansys軟件對電機電磁場的分析，包括建模、網格剖分、加載求解。分析結果表明達到了設計要求。

   新一代航空電源系統將采用270 V高壓直流供電系統。這一電源系統的引入使得系統的傳輸功率和傳輸效率大大提高?！叭婏w機”采用傳統的航空液壓系統被電動系統所替代。由于這些原因，特別是采用稀土永磁電機，使其性能又有了進一步的提高。270 V高壓稀土永磁直流電機相比普通的低壓直流永磁電機有多方面的優勢，比如電流減小、銅損耗降低、耗銅量降低、磁性材料用量減小、電機體積變小等。因此開發270 V高壓直流稀土永磁電機具有現實意義。

1  電機結構及電磁均數學模型

   電機剖面示意圖如圖1所示。機殼材料采用10號鋼，磁鋼材料為稀土永磁材料，轉子為軟磁合金，定子為l對磁極，轉子為1l齒。

   電機電磁場分析以麥克斯韋電磁場方程組為基礎，Ansys軟件進行電磁場分析時也同樣以此為基礎，即：    （1）  （2）

  圖1電機剖面示意圖

▽·{B}=0   (3)   ▽·{D}=ρ  (4)

   式中：▽×為旋度算子；▽·為散度算子；{H}為磁場強度矢量；{J}為總的電流密度矢量；{Js}為外施激勵源電流密度矢量；{Je}為感應渦流密度矢量；{Jv}為速度電流密度矢量；{D}為電位移矢量；f為時間；{E}為電場強度矢量；{日}為磁感應強度矢量；ρ為體電荷密度。

2   分析流程

   利用Ansvs進行電磁場分析，盡管分析對象各種各樣，但主要的分析步驟基本相同。圖2為Ansys軟件分析的一般流程。

3   建模及網格剖分

在Ansys中建模分為實體建模和直接生成兩種。本設計采用實體建模。實體建模又可分為自頂向下和白底向上兩種，根據具體情況可以自由組合。本設計中對于定子、轉軸和氣隙，由于結構簡單，所以采用自頂向下建模，直接生成面體素。對于磁鋼和轉子，由于結構復雜，采用自底向上建模，即先生成關鍵點，再生成線，最后生成面。本電機最終模型如圖3所示。

圖2分析流程

   圖3幾何模型圖

   網格剖分是進行進一步計算的前提。網格化分的越細有限單元就越小，計算結果越精確，但同時所用的時間也就越多，對計算機的硬件要求也高。根據實際需要進行合理剖分。當模型中出現比較小的部分時，網格設置太大將無法剖分，設置太小又很費時，這時可以分塊剖分網格。本設計的最終網格剖分如圖4所示。

   圖4網格剖分圖

4分析結果

加載、求解之后就可以查看分析結果。主要包括磁力線、等值線顯示(包括磁通密度、場強和總電流刻度(JTZ))、矢量顯示(如B、H和FMAG的大小和方向)等。圖5為本設計的磁力線分布圖；圖6為本設計的磁通密度圖；圖7為磁密曲線圖。

圖5  磁力線分布圖

  圖6  磁通密度圖

   圖7磁密曲線圖

5結論

   分析結果表明，磁力線、磁通密度等分布合理。經過計算，相關指標達到要求。