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时间:2018-07-22
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1、电器中电磁机械仿真常用软件与方法 摘要:介绍了电器中电磁机械仿真技术的发展现状和常用软件,探讨了几种常见电磁机械仿真方法的基本原理、功能和优缺点,主要分析了基于有限元方法的电磁场仿真、运动学和动力学仿真的基本过程,仿真技术大大简化了电磁机械设计的工作量,计算手段和精度也不断完善。 关键词:电磁机械;电磁场仿真;动力学仿真 引言 随着高、低压电器的技术发展,依靠电磁力产生运动相关的机械在电器领域中应用越来越广泛,从传统最常见的电磁铁到近年来进入市场的永磁机构、磁力机构、斥力机构等。由于产品的结构越来越复杂,形状越来越不
2、具有规则性,采用传统的磁路分析等理论计算方法来指导产品设计逐渐具有一定的局限性。随着数值计算法的发展,特别是各种大型商业软件的不断推广和应用,利用仿真技术对电磁机械进行仿真分析已经成为工程领域中常用的手段。 电磁机械仿真技术是指基于相关基础理论,借助于计算机技术和专业的分析软件,实现对电磁机构电磁场、力、运动等方面的静态和动态特性的仿真,为产品的设计和优化提供理论支持和方向指导。仿真技术的应用改变了长期以来人们用传统的工程计算方法进行特性分析所造成的精度差的缺点,可以在样机制作和实验分析前,掌握电器产品的性能,减少重复样机
3、的制作,降低实验费用,同时缩短新产品的开发周期,提高产品性能[1]。 在电磁数值计算方法中,有限元法以其通用性强,适用于对复杂结构和场域等优点,成为应用最广发的方法,基于有限元的商业仿真软件也较多的进入市场。常用的软件有ANSYS,Ansoft,Quickfield,Infolytica等。这类软件通常是具有三维有限元剖分的有限元计算通用软件,以麦克斯韦方程组为出发点。除了仿真一般意义上的磁路和电磁场,各种电磁类机构都涉及到电磁-力-运动等基本理论,工程设计人员往往需要的是产品最终的电磁力,速度,时间等特性。因此除了进行基
4、本的电磁场仿真外,还需要综合考虑机构的动力学特性。文章总结了几种借助商业软件进行电磁场仿真和动力学仿真的常见方法,对电器中电磁类机械的设计有一定的指导作用。 1基于ANSYS的方法 1.1计算原理 ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件,它是世界范围内增长最快的CAE软件,可以进行包括结构、声、热、流体以及电磁场等多门学科的研究。ANSYS中载流导体的电流分布计算主要以下面两个基本方程式作为依据[2]: 电磁吸力计算应采用Maxwell应力张量法进行计算,与可动衔铁接触的空气单元i的
5、应力张量为Ti,接触面积为s,单元的力密度为Fi,则衔铁整体受到的电磁吸力F计算公式可以表示成式(5)和(6): 1.2计算方法和过程 ANSYS功能强大,在电磁场仿真方面可以进行二维和三维的静态、谐波和瞬态分析,基本能满足电器中电磁机械仿真的所有需求,并且具有强大的二次开发功能,专业人员能够根据需要进行程序编写,进行针对性的复杂分析计算。但是ANSYS的经典界面操作不是特别方便,一般的工程人员需要花费一定的时间入手,而操作界面较清晰的workbench模块目前仅仅能实现静态的电磁场分析,不能完全满足电磁机构的设计的需要
6、。 目前最常用的方法是首先利用ANSYS软件包建立有限元模型,进行静态电磁场仿真计算,得到电磁吸力与气隙和电流关系的二维静态数据表格。静态电磁场仿真主要包括以下几个基本步骤:①定性分析,确定选择的分析方法,选用单元,赋予材料属性等;②前处理,创建仿真的物理环境,建立模型,网格设置和划分,施加载荷和边界条件,设置求解标志(Flag)等;③求解,设置分析类型,求解器选项等;④后处理,场量云图和数据的绘制,输出。 静态电磁特性分析不仅可以在电流密度,磁路,磁力线等方面对电磁机械的设计有直接帮助,还可以为其作为动态特性分析数据基
7、础。完成静态仿真后,耦合达朗贝尔机械运动特征微分方程: 在上述静态仿真的基础上,利用静态仿真得到的电磁力数据,利用插值方法得到吸力变化曲线,然后一般采用龙格-库塔法,利用C语言或Matlab软件,求解上述机械运动微分方程组,进行机构动态吸力和运动的仿真计算,得到电磁机械的动态特性。 上述方法应用广泛,功能强大,能满足不同的需求,并且有利于通过二次开发进行复杂问题的求解,以及便于后续提取数据与其它场进行耦合计算,但是该方法操作比较复杂,直观性较差,编程和数据处理需要较强的专业技能。 2基于AnsoftMaxwell的方法
8、 Ansoft作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一,在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。它同样基于麦克斯韦微分方程,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解[3]。Ansoft不仅可以对单个电磁机构进行数值计算,还可以对整个系统进行联合仿真。 其中,Maxw
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