基于ANSYS的军用移动电源空载电压仿真研究.pdf

第 3O卷第 7期兵 工 学报Vo1．30 NO．7 2009年 7月ACTA ARMAMENTARIIJu1． 2009基于 ANSYS的军用移动电源空载电压仿真研究杨静 ，王维俊 ，涂亚庆 ，左永刚(1．后勤工程学院 营房管理与环境工程系，重庆 400016；2．后勤工程学院后勤信息工程系，重庆 4000163．后勤工程学院军事供油工程系．重庆 400016)摘要 ：详细说明了利用ANSYS有限元分析软件分析军用移动电源的空载磁场，仿真其空载电压的理论基础和实现方法。军用移动电源样机空载 电压 的仿真结果与实测空载电压十分接近，证明此仿真方法是正确有效的，能为设计人员优化设计参数、提高军用移动 电源的供 电质量提供理论依据和方法。关键词：电气工程；军用移动 电源；空载磁场；空载 电压 ；ANSYS软件中图分类号：TM301．4文献标志码 ：A文章编号：1000—1093(2009)07—0896—04SimulationStudyonNo-loadVoltageofM ilitaryPortableGeneratorBasedonANSYSYANGJing，WANGWei—jun，TU Ya—qing，ZUOYong—gang(1．DepartmentofBarracks’ManagementandEnvironmentEngineering，LogisticsEngineeringUniversity，Chongqing400016，China；2．De partmentofLo gisticalInformationEngineering，Lo gisticsEngineeringUniversity，Chongqing 400016，China；3．De partmentofMilitaryPetroleum Supply，LogisticsEngineeringUniversity，Chongqing400016。

2、北京精密机械零件应用于各行各业的检测设备—科学仪器，在国内而言主要是应用于科学仪器中的仪器和仪表行业。军用铝箱是军队常用的物品之一，它通常用在仪器、仪表、 电子、通信、自动化、 精密机械等 。就目前而言，我国在自动化控制系统及现场仪表和关键精密测试仪器领域还相对薄弱，中高档仪器市场占有率较低，这是未来仪器仪表发展必须突破的瓶颈。

传统的电机设计法采用把电机内复杂分 提高。目前我军小型移动电源多采用单相同步发电布的电磁场简化为磁路的方法来计算气隙磁场，计 机，提高供电质量包括提高发电机输出电压波形质算精度不高。有限元法的磁场计算是一种先进的数 量，这对发电机设计提出了更高要求，其中发电机空值计算方法，能够计及电机定、转子形状及磁路饱和 载电压波形质量更是一项重要的设计指标，因为电的影响，真实反映电机内部的磁场情况。 压波形正弦性畸变率大会增加干扰，降低军应用有限元法进行 电机磁场分析，如果 自行编 用移动电源的供 电质量。制计算程序，则工作繁琐且精度不高，后，博士。E-mail：yj7329@163．corn；王维俊(1964一)，女，教授，博士生导师。E—mail：wjwang866@126．tom 第 7期基于 ANSYS的军用移动 电源空载电压仿真研究 体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具有(分数槽和整数槽)均可适用。

比起原来普遍采用的 极为强大的前、后处理功能，应用ANSYS软件来分求解一次磁场方程得到空载气隙磁场，利用傅里叶 析 电机 电磁 场 是 非 常 有 效 的L1-2J。本 文 以分解求出气隙磁密的基波及各次谐波幅值来计算空 ANSYS10．0为基础，对一台军用移动电源样机的空载电压的方法[军用移动电源，计算精度更高。 载磁场进行了分析，仿真 了其空载电压波形并进行2 用ANSYS分析军用移动电源空载磁场 了谐波分析，仿真结果与该样机实测结果吻合。本文采用 ANSYS10．0的Multiphysics模块对 1 分析计算的理论基础一 台军用移动电源样机的空载磁场进行了计算，此军用移动电源空载磁场分析采用二维电磁场分发电机为凸极单相同步发电机，参数为：额定功率 析方法，磁场计算时作 了如下假设：1)不计交变磁2kW，额定电压220V，额定频率50Hz，额定功率因 场在导电材料中的涡流反应，因此军用移动 电源的数 1，定子槽数 30槽，极对数为 1． 磁场可作为非线性稳定磁场来处理 ；2)忽略装配误2．1 创建电机有限元分析模型 差 ；3)铁心里的磁导率是各向同性的。创建 电机模型可 以用 ANSYS 自带 的建模功则矢量磁势 A 满足非线性泊松方程及边界条能，但其建模能力较弱，建立几何形状复杂的模型十 件 ：分困难，并且工作量很大。

用它建立电机模型时，对)+)=㈩ 定子槽 口的圆角及磁极冲片部分圆角、倒角等细微之处只能做近似处理，这对处理大 电机影响不大，但A【：Ir=A：o，(r)，当电机尺寸本身较小时会给后面的计算结果造成一 式中：A 为矢量磁势z向分量；为材料磁阻率；J定影响。为解决这一 问题，设计者可以采用建模能 为外加电流密度 ； 为 电机求解区域 ；I1为定子外力强的AutoCAD软件建立 电机模型，再导入 AN— 边沿及转子内边沿 ；Ao为矢量磁势在 r上的值。SYS中进行网格划分。在 AutoCAD中调整 电机几与(1)式等价的变分问题为何参数，修改电机模型也十分方便。图1即是用』 (A)=0， ()，… AutoCAD绘制，通过 建立 IGES文件导入 AN—A【 I=0， (r)．一 SYS10．0的军用移动 电源截面图。 式中：F (A。)=I IIvbdbJdxdy— j'=√(为磁感应 强度从零变化到B的中间变量 【。(2)式对应的有 限元矩阵方程为SA=F，(3) 式中：S为系数矩阵；A为矢量磁势A，的列矩阵；F 为电流密度常数项的列矩阵。根据法拉第电磁感应定律 ：图 1 军用移动电源截面图E一，(4)Fig．1 Sectionofmilitaryportablegenerator 发电机空载电压是 由通过其电枢绕组的磁链随 时间变化而产生的，只要计算出转子旋转时发 电机2．2 定义和分配材料、划分网格 内与电枢绕组交链的磁链变化，即可得到军用移动输入各种材料的性能：非导磁材料 (空气、线圈、 电源的空载电压波形。

线圈磁链=叫 ，w 为线电机转轴)的磁导率，定、转子铁心(硅钢片)的磁化 圈匝数， 为线圈的磁通量。绕组的磁链是通过组曲线，然后根据 电机模型中各区域的特点分配材料 成该绕组的各线圈磁链之和，通过各线圈的磁通量特性。 可以用该线圈两条边截面中点处 A，值之差乘以定采用SmartSize命令进行智能化网格划分，由于 子齿轴向长度得到，因为在二维电磁场中，两点之间此电机气隙很小，为提高计算精度，对气隙区域进行 的矢量磁位差 (绝对值)就是两点之间的磁通量 (在网格加密。图2为剖分后的发电机模型。 Z轴单位长度范围内)。2．3 施加边界条件和载荷并求解此种计算空载 电压的方法考虑了了凸极效应、转子内沿边界及定子外沿边界施加磁力线平行 磁路的饱和等因素的影响，同时对任何形式的绕组边界条件，励磁电流转化为电流密度加在励磁绕组兵 工 学 报第30卷图4 A 沿路径L1分布云图图2 军用移动 电源有限元剖分图Fig．4 DistributionofA alongpathL1 Fig．2 Finitemeshonsectionofmilitaryportablegenerator磁场。定、转子间相对运动的实现采用插值运动边 区域，进行求解。

界法。沿电机气隙中心线画两条完全重合的圆弧， 2．4 保存计算结果并进行分析处理将气隙分为两部分，分别属于定子及转子。对定子通过ANSYS的后处理程序，设计者可以用图和转子采用两套相对独立的坐标系，定子坐标系固 形方式察看计算结果，直观地判断计算结果和原始定在定子上，转子坐标系固定在转子上随转子旋转。 设计是否合理；也可 以用列表显示方式察看计算结两个坐标系下的场是独立的，只通过气隙中心线上 果，进行准确分析。图3为此 电机磁力线分布图。的点进行耦合。转子运动到任意位置时转子运动边界上节点的磁位 由此节点附近定子单元上节点的磁位通过插值得到。本文的计算程序采用ANSYS10．0的程序化语言APDL编程，转子位置离散为每转过 1。计算一次(相当于 At=0．056ms)，通过循环语句进行连续计算，直到完成转子旋转一个周期的计算。然后根据(4)式采用中心差分法计算各点处 电压。4 仿真结果分析图5为仿真出的军用移动电源样机空载电压波形。图6为仿真波形谐波分析结果，各次谐波大小图3 电机磁力线分布 图以其与基波幅值之 比的相对值表示。图7为样机实Fig．3 Fluxdistributioningenerator 测空载电压波形，图8为实测波形谐波分析结果。

扫风电机由电枢绕组，永磁体，转轴，定子，励磁绕组，转子组成，当电枢绕组和励磁绕组通电时，会产生磁场，推动转子旋转。有关负序电抗：负序电流产生的旋转磁场在转子各部分包括励磁绕组、阻尼绕组、极掌和极心中感应两倍频率的电动势和电流，根据楞次定律，转子中感应的两倍频率的电流将对定子反转磁场起抑制（阻尼）作用，使气隙中反转磁场被削弱，因此，由负序电流所建立的负序磁场较弱，与此相对应的负序电抗也比较小。反馈线圈n3绕组和削反峰整流二极管d3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈n3绕组产生的感应电动势（反激电压）通过整流二极管d3会在n3绕组中产生电流返馈给回输入电源，对电源进行充电，以提高开关电源的工作效率。

29、31和 59、61次谐波、 馨分别为定子一阶及二阶齿谐波，是 由主极磁场 中的齿谐波磁场和定子开槽共同作用引起的。由于齿谐 热波含量较大，设计上可以考虑采用定子斜槽，调整阻尼绕组节距等方法来削弱齿谐波L5 J。5 结束语图6 样机仿真空载 电压谐波分析ANSYS软件是一种功能强大的有限元软件，利Fig．6 Harmonicanalysisofsimulationno-loadvoltageofthegeneratorprototype用ANSYS软件的电磁场分析功能来计算电机的电磁场问题具有较高的计算精度。 (图6，图8)也证实了这一点。图8中各次谐波值比根据军用移动电源样机空载电压仿真结果与实 图6略小的原因是由于仿真时忽略了阻尼绕组中由测结果的比较，可以认为本文所提出的基于ANSYS 槽磁导波调制主磁场而引起 的涡流，而此涡流对发的军用移动电源空载电压仿真方法是正确合理的。 电机空载电压谐波有一定的削弱作用。在军用移动电源设计时采用ANSYS进行磁场计算，仿真其空载电压，可以为优化设计、改善 电机输出质量提供理论依据。设计者可以根据仿真结果调整设计参数，再对调整过后的参数进行计算、仿真，反复这一过程，直到达到设计要求。

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3）过压时在60秒内将所有电容器组退投8、谐波监测可存贮最大谐波电压畸变及对应相和出现时间军用移动电源，最大谐波电流畸变率及对应相和出现时间、最大谐波电压畸变率时对应相的电压的电压基波幅值、最大谐波电流畸变率时对就相对相的电流基波幅值及2-31次谐波电流幅值、实时各相电压电流的基波及2-31谐波幅值、实时各相电压电流的畸变率，在控制器显示屏上可实时显示各次谐波的分量图和分量比。电学仪器校准类：静电离子风机、手机综合测试仪、网络、电能（功率）质量、谐波、功率表（计）、静电场强（电压）表、表面电阻测试仪、耐压（安规）测试仪、火花机、绝缘电阻测试仪、泄漏电流测试仪、直流电阻电桥、lcr电桥、三用表校验仪、交直流电压电流表、各型钳表、电参数（参量）测试仪、精密标准电压电流源、精密校验仪、数字万用表、标准电感器、电容器、电阻器等 。 ③ 对供电电源稳频的要求在计量校准工作中，对交流电源的稳压、稳频、电压波形、直流电源的电压额定值、电 压纹波均有严格要求。

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