基于ANSYS多物理场仿真技术在电机设计中的应用

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1、基于Ansys多物理场仿真技术在电机设计中的应用[卓亮，赵飞][国家精密微特电机工程技术研究中心，550089]23[摘要]航空航天用无刷直流电机具有高功率密度(>2kW/kg)、高热负荷(>1000A/mm)、高转速(>10000rpm)、高可靠性的特点，基于Ansys软件对该类电机进行多物理场的仿真分析。通过电磁场仿真分析保证该电机电气性能满足指标要求；通过温度场仿真分析保证该电机在工作时间内不会发生绕组绝缘熔化、磁钢退磁和位置反馈电路失效温问题；通过静力结构分析保证该电机在最高转速输出最大转矩时不会发生护套损坏和轴断裂现象。提高电机的可靠性和稳定性的，缩短武器

2、装配研发周期具有重大意义。[关键词]航空航天；无刷直流电机；多物理场；仿真Technologyintheapplicationoftheelectricmachinedesign[zhuoliang;zhaofei][NationalEngineeringResearchCenterforSmallandSspecialPrecisionMotors;550089][Abstract]BrushlessDCmotorappliedintheaerospacefield,theadvantagesofwhicharehighpowerdensity(>2kW/kg),

3、highheatload(>1000A2/mm3),Highspeed(>10000rpm)andHighreliability,basedonAnsyssoftwareforsimulationofmulti-physicalcoupledfields.InordertosatisfytheperformancerequirementofBrushlessDCmotorusedintheaerospacefield,thisarticlecarriesoutaseriesofsimulationsincludingelectromagneticsimulation

4、,temperaturefieldssimulationandstressfieldsimulation.Itisofgreatsignificancetoimprovethereliabilityandstabilityofthemotor,shortenweaponsassemblycycle.[Keywords]:Aeronauticsandastronautics;BrushlessDCmotor;multi-physicalfields;simulation1前言电机是多物理场高度耦合的产品，尤其对军用电机而言，由于其高功率密度、高转速、高效率特点，因此在

5、设计电机时进行电磁场、温度场、理学结构仿真对保证电机性能指标，提高电机的可靠性和稳定性的，缩短电机的研发、生产、试验周期具有重大意义。以某型号电机为例，介绍基于Ansys多物理场仿真平台在电机设计中的应用。2多物理场仿真平台介绍多物理场仿真设计平台所采用的仿真软件如下表1。表1仿真平台软件设备软件名称厂家版本号功能AnsysMaxwell美国Ansys公司2015电磁仿真分析AnsysWorkbench美国Ansys公司16.0温度场和静力学仿真分析具体的仿真分析内容见下表2。表2仿真平台分析项目仿真项目分析内容电磁转矩、转矩波动电磁场仿真绕组铜耗、定子铁耗、转子涡

6、流损耗、效率退磁校核、齿槽转矩、定转子各部分磁密机壳、定子、绕组、轴承、位置传感器温度分布温度场仿真电机主要散热途径分析静力学仿真转子护套、转子磁钢、转轴变形和应力分布3电磁场分析针对该电机的性能指标（见下表3）对该电机进行电磁场有限元分析。表3该电机性能指标额定电压270VDC最大转速11000rpm空载电流＜2A调速范围9000-11000rpm最大输出功率0.5kW转矩(电流)波动系数≯10%额定转矩电机效率≥90%图1为该电机电磁场有限元分析模型和网格剖分效果。图1电机有限元分析模型和网格剖分效果3.1最大功率点性能仿真电机在最大功率点的性能仿真结果见下表4

7、。电机在该工作点，定子铜耗为24.28W，定子铁心损耗12.2299W，转子部分(包括转子轭、磁钢、转子护套)涡流损耗为2.0337W，电机的效率为92.1%。满足指标要求。表4最大功率点仿真结果转矩0.4438N.m转矩波动4.66%转速11000rpm定子铜耗150℃绕组24.28W相电流1.9A定子铁耗12.2299W转子涡流2.0337W风摩损耗5W效率η92.1%电机的转矩波形、线反电势波形、定子铁耗曲线、转子涡流损耗曲线、机械特性曲线分别见图2至图5。E_Line&PhaseANSOFTNameXYTorque_skew&noskewANSOFT25