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仿真模型，對物理環(huán)境、定子/轉(zhuǎn)子等模型建立以及單元屬性類別等涉及到三相異步電機建模的幾個關(guān)鍵要素進行了詳細的闡述，利用matlab建立了異步電機轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)模型，分析了ANSYS與matlab的協(xié)同仿真技術(shù)。實驗結(jié)果表明，該實驗平臺使得抽象的概念更加清晰直觀，滿足了電機實驗系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：ANSYS;三相異步電機;建模;仿真

傳統(tǒng)電機的設(shè)計中開發(fā)和實驗周期長成本高，而現(xiàn)代電機由于磁極形狀、齒槽分布等復(fù)雜多樣，使得磁路十分復(fù)雜，使得經(jīng)典的電機設(shè)計及其實驗方法已經(jīng)不能滿足需要。針對電機設(shè)計和實驗中的核心問題，采用ANSYS軟件建立異步電機定子/轉(zhuǎn)子等模型，與其他軟件協(xié)同仿真，準確地計算出電機的磁場分布、電感、力矩等，分析電機的散熱、機械特性以及電磁性能[1]。

1 ANSYS三相異步電機實驗平臺

ANSYS電機及控制系統(tǒng)集成化設(shè)計方案可解決電機本體及控制系統(tǒng)的快速設(shè)計、方案優(yōu)選和電機精確電磁性能分析等問題。用戶還可根據(jù)需要，補充結(jié)構(gòu)、噪聲分析等軟件，即可實現(xiàn)單向或雙向的電機多物理域協(xié)同設(shè)計、高精度電機及控制系統(tǒng)集成化設(shè)計等[2]。

三相異步電機實驗系統(tǒng)包括：異步電機本體和控制系統(tǒng)建模、協(xié)同仿真技術(shù)以及實驗結(jié)果分析和處理?；贏NSYS的異步電機建模的實質(zhì)是在計算機中運行電機，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，首先建立異步電機的各單元，比如定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子等，再對每一部分進行劃分網(wǎng)格和單元類型定義，保證電機建模的完整性。

2 異步電機建模步驟

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題、定義文件工作名、定義分析類型、進入前處理、異步電機定子和轉(zhuǎn)子基本參數(shù)設(shè)置、參數(shù)和單元類型定義以及組件特性定義。

本文主要采用命令行語句對定子、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)進行定義，主要命令行語句為：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)線寬度ss_clw=16/1000，并繞導(dǎo)線根數(shù)ss_clh=4/1000等。

對單元類型進行定義，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。

對材料參數(shù)進行定義，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個定子槽，調(diào)用csys命令，將坐標變化為極坐標，每個定子槽間隔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，在命令行語句中按照轉(zhuǎn)子鐵芯以及繞組的尺寸和參數(shù)進行重新定義[3]。

2.3 單元屬性類別

在建立異步電機各個部分組件的基礎(chǔ)上，對各個組件部分的單元屬性類別進行劃分和定義，在執(zhí)行命令以后，就可以得到異步電機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中建立好異步電機矢量控制模型，在進行聯(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)的工程和進行配置后就可以進行聯(lián)合仿真[4]，仿真模型和波形如圖3、4所示。

4 結(jié)語

利用ANSYS軟件建立了三相異步電機的定子、轉(zhuǎn)子和氣隙模型，并且利用ANSYS軟件工具對其電磁場分布情況進行了仿真，通過與其他電機控制應(yīng)用軟件相結(jié)合，可以對三相異步電機機電控制系統(tǒng)進行協(xié)同仿真，該虛擬實驗平臺的建立不僅能夠促進學(xué)生對電機及其結(jié)構(gòu)的深入了解，而且還能為電機設(shè)計以及性能分析打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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

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

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

[4]]劉雪梅，倪澤浩，李愛平.基于ANSYS的大型異步電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)特性分析[J].中國工程機械學(xué)報，2013，06：480484.