稀土永磁电机磁场有限元分析自动化技术
李声晋芦 刚 马瑞卿
窦满锋 李钟明 (西北工业大学)
【摘 要】互电机电磁场分析的自动化技术是长期困扰电机精确设计的关键因素之一，文中通过分别构造自动化数据前处理系统、通用有限元求解器、自动化后处理系统等，使电机电磁场的有限元分析简单可行。
【叙 词】永磁电机磁场有限元法自动化
1 引 言
与等效磁路法不同，用有限元法求解电机电磁场具有计算精确、全局磁场分布清晰直观、计算不受结构的限制等优点，但已有的各电机电磁场分析软件使用很不方便，它要求设计者不仅要具备较系统的有限元理论及过程、数据前处理的能力，还要对计算机语言、程序操作及使用的电磁场分析程序熟悉。另外，由于电机类型、结构特征、齿槽、磁极以及参数范围等的不同，造成数据前处理相当复杂，需经多次反复，才能得到正确的磁场计算结果，因而电机电磁场有限元分析的自动化一直是国内外学者研究的课题之一。随着计算机及CAD的不断普及，有限元分析自动化软件的用户界面作为和设计者交流的接口，已对软件的市场起很重要的作用[1,2]。
2自动化数据前处理
电磁场分析自动化的关键是数据前处理的自动化技术，国外对这方面的研究很活跃，已形成商品化的软件有美国MSC公司的数据前／后处理软件MSC／XL等，国内如上海工业大学、天津大学、河北工学院等也均有诸多研究。本文所介绍的自动化数据前处理系统的特点在于其设计构思是面向用户的。
由于齿槽及磁极的形状繁多、结构差异大，且各结构参数的范围及求解区域等无法预先确定，因而给数据前处理的自动化带来极大的困难。本系统从网格划分着手，通过构造具有自适应的基本剖分单元构成准则，针对电机的各媒介沿电枢圆周均匀或分段均匀这一特点，采用带状层网格划分，将每层的节点数及带状层数与剖分精度相耦合等，较好地解决了数据前处理的自动化。本自动化前处理系统已能剖分的有定、转子结构两种。
2．1定子结构
·定子瓦片磁钢结构(径向充磁)。
·定子矩形磁钢结构(切向充磁)。
·定子闭口、半闭口梯形槽。
·定子闭口、半闭口底半梨形槽。
·定子闭口、半闭口梨形槽。
·定子闭口、半闭口口半梨形槽。
·定子闭口、半闭口梯形槽肩扇形槽。
·定子闭口、半闭口梨形槽肩扇形槽。
·定子闭口、半闭口圆形槽。
·定子开口梯形槽。
2．2转子结构
·转子瓦片磁钢结构(径向充磁)。
·转子矩形磁钢结构(切向充磁)。
·转子闭口、半闭口梯形槽。
·转子闭口、半闭口底半梨形槽。
·转子闭口、半闭口梨形槽。
·转子闭口、半闭口口半梨形槽。
·转子闭口、半闭口圆形槽。
·转子开口梯形槽。
3有限元求解器
有限元理论及各工程类有限元通用分析程序已相当成熟，但大部分电磁场有限元分析程序都是一个单一的独立整体，磁场分析必须经过一些手工的初始化过程，尤其当剖分单元节点多、数据处理量大时，必须在程序内部进行内／外存分配，这就需磁场分析者对计算机语言及程序相当熟悉，因而它仍不是面向电机设计者的，更谈不上有较好的用户界面。本文所述的有限元求解器不仅较好地解决了该问题，而且针对不同的数据处理量(不同的结构、求解区域、剖分精度等)及用户不同的硬件配置，开发了两种求解模式(小容量实模式、大容量虚模式)，基本解决了电磁场求解中遇到的各种情况。
4自动化数据后处理
有限元算法求解电磁场的优点是磁参数计算准确、全局磁场分布清晰、直观，而已有的电磁场分析程序不太重视后处理，且用户界面不理想。本文除具备面向用户的自动化常规后处理功能，如气隙磁密、磁通、计算极弧、气隙磁密分布、磁位线分布等，还增加了全局磁场磁通密度(标量)彩色喷绘功能及全局磁场磁通密度(矢量)方向图，从而使电机设计者能真正清晰、直观地了解电磁场全貌。自动化后处理功能为下：
·绘剖分图。
·绘气隙磁密分布曲线。
·绘气隙磁密分布比较曲线。
·绘求解区域等磁位线。
·绘求解区域磁密彩色喷绘。
·绘求解区域磁密趋向图。
5自动化系统及构成
该系统在数据前处理、有限元求解及后处理均实现自动化的基础上，通过构造良好用户接口管理系统(UIMS)，将各分系统及执行程序都集成为一个主控菜单，并加以汉字化，用户只需选择欲执行的菜单项，即可自动完成各分系统的功能。用户界面及菜单的构成等见文献[4]，本系统的构成及功能为：
·有限元数据前处理。
·有限元求解器(实模式)。
·有限元求解器(虚模式)。
·有限元数据后处理。
·软磁材料库维护。
·硬磁材料库维护。
·结束。
6结语
本文所述的自动化电机电磁场分析系统是建立在数据前／后处理自动化、有限元求解通用化及软、硬磁材料及数据库自动化前提下，通过构造良好的用户界面及接口管理系统而完成的，达到了工程实用的程度。
自动化分析系统因不需电机设计者了解有限元理论、数据前／后处理乃至语言、程序等，只需通过简单便捷的操作，就可获得电磁场结果，因而很适合电机设计经验丰富而计算机及有限元不熟悉的工程技术人员使用。 |
