角振动台电磁场FEM模拟计算与分析

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  [摘 要] 角振动台是产生回转式振动激励的装置,其设计制造的关键问题是激磁磁场的产生。本文以有限元分析软件ANSYS为工具,对某角振动台的激磁磁路部分进行了分析,以检验其性能。整个分析,旨在验证振动台电磁场分布情况,分析漏磁场是否达到技术指标要求,为台体结构设计提供了电磁分析。
  [关键词] 角振动台 ANSYS 电磁场
  
  角振动台是角振动校准装置中用于对被校角运动传感器施加回转式振动激励的装置,其激振力主要由激振电机产生,故电机设计的好坏是关系到角振动台研制是否成功的关键,为此有必要对激磁电机进行电磁分析,以考核其性能是否达到电机设计要求。
  1、高频标准角振动台
  1.1高频标准角振动台工作原理
  本文所分析的高频标准角振动台如图1所示,主要由台面、支撑弹簧、框式动圈、励磁线圈和激磁回路组成,该系统具有摩擦小、电磁干扰低、回转精度高、负载惯量大的特点,其设计最高频率为500Hz。
  图1 高频角振动台结构原理图
  该结构与电机类似,可以简化为由定子和动子两部分组成。其中定子又分为内定子和外定子两部分,是产生激振电磁力的主磁路,外定子上两边又各有一组激磁线圈,共同构成了激磁系统。角振动台实际上为一个扭转弹簧惯性系统,工作过程为激磁系统的受迫振动。从而,激磁力的产生是角振动台运行的首要问题,也是本文研究的出发点。
  1.2计算内容
  a.为产生系统要求的驱动力矩,相应的提出内外定子间的气隙磁通应达到0.60T的要求,由此给出需要通入激磁线圈的电流;
  b.要求台体端部漏磁不大于10-4T数量级;
  2、电磁场有限元分析
  根据全电流定律,导体或线圈通电后,建立磁场,沿任意闭合路径上磁场强度的线积分,就等于穿过该闭合路径内的导体电流的代数和。实际电机计算中,将线积分简化成和式,即把要研究的闭合磁路分成若干段,每一段的磁场强度看成常数,则有
  ∑HiIi=∑I (1)
  式中,HiIi称为第i段磁路的磁压降,ΣI为该磁路的总磁势[2]。
  以内外定子部分为分析对象,由气隙磁通0.60T的要求,按激磁部分气隙和定子尺寸分别计算总磁势,得到ΣI约为8500A。
  为了验证此系统气隙磁通和漏磁的要求,利用ANSYS软件进行电磁场分析,这是按全电流定律分析的逆过程。分析对象为激磁磁路部分,采用实际尺寸三维建模[1]。
  本次分析含有铁芯和电流源,又属于单连通区域,即存在气隙的磁路不封闭的铁芯系统,选用微分标量势法(DSP)。
  2.1定义单元及材料类型
  分析过程中要用到的有限元单元为SOLID96,为三维单元模块,六面体八节点,其自由度为磁标量势,可以进行磁场分析。另外分析过程中的电流源加载会自动引入SOURC36单元,做为电流源的单元。
  分析过程涉及到两种材料类型,即空气和10号钢,其中10号钢为整个磁路的软磁材料。在电磁场分析中,需要赋予空气的属性为磁导率,此处设置空气的磁导率为1;10号钢需要设定其B-H曲线[3],如图2所示。
  图2 10号钢B-H曲线
  2.2建立几何模型与网格划分
  根据内外定子实际尺寸建立模型。对模型的建立,部分不规则形状采用“自底向上”的方法,即由关键点生成线,由线组成面,由面拉伸成体;另一部分规则形状,如圆筒外壳等,可以直接生成体。另外要注意对空气的处理,空气分为2部分,壳体内部空气和外部空气,其中外部空气要建立成包裹住整个结构的圆柱体。建立好的几何模型如图3所示。
  图3 内外定子实体模型图4 网格剖分后的模型
  利用智能网格划分工具对已有模型进行剖分,精度为3等级,形状为4面体,如图4所示。
  2.3定义边界条件和载荷信息
  本分析中,只需设定默认的平行边界条件,同时,需要选择一个约束点,设定其值为MAG值0,保证计算的收敛性。
  加载时,根据实际线圈形状和总磁链的要求,建立电流源载荷。利用电磁宏RACETRACK COIL建立线圈,参数中包含了线圈的尺寸和电流等信息。其中总的电流安匝数由总的8500A按4个线圈尺寸比例分配得到,即两个大线圈为3231A,两个小线圈为1019A(见图5所示)。元素列表中会自动生成元素SOURCE32。
  设置完毕即可分析求解。
  2.4内部磁路与磁感应强度分析
  可以对气隙和定子铁芯分别进行磁感应强度B的向量图绘制,并通过列表排序观察最大值。气隙磁感应强度顶视图如图5所示。
  通过后处理菜单中的节点排序功能,将气隙磁场值降序排列,其最大值大于0.60T,由前面的矢量图可以看出,最大值集中出现在气隙的中间部分。
  通过观察定子铁芯部分的磁感应强度和矢量图,可以直观的看出磁通由壳体和定子铁芯组成的闭合回路,其内部磁感应强度没有达到饱和值,如图6所示。
   图6 定子铁芯磁感应强度矢量图 图7 磁路分布侧视图
  铁芯和空气的磁感应强度侧视图如图7所示。
  2.5端部漏磁場分析
  由于关心其顶部的漏磁情况,所以利用后处理中的截面观察可以直观又全面的考核其漏磁情况。利用显示截面的功能,观察壳体端部的云图,可以直观的看出此处磁场大小,如图8所示。
  由图7和图8可知,顶部的漏磁大小在0.07~0.08mT,认为可以达到<10-4T漏磁的要求。
  2.6激磁电压计算
  由F总=Ij×Wj,其中激磁绕组总匝数Wj为1062匝。气隙磁势F总=∑F=8500A,得激磁电流Ij=8.0A。已知线圈总电阻为3.33Ω,得到激磁绕组电压U=8.0X3.33=26.6V。
  3、结论
  (1)在线圈上加26.6V电压,既可产生8.0A的激磁电流作用在四线圈上,产生8500A的磁势,使气隙磁通达到0.60T的要求;
  (2)壳体端部漏磁大小在0.07~0.08mT,可以满足台体端部漏磁不大于10-4T数量级的要求;
  参 考 文 献
  [1] 唐兴伦,范群波,张朝晖,李春阳.ANSYS工程应用教程-热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003
  [2] 刘迪吉.航空电机学[M].北京:国防工业出版社,1986
  [3] 吴恒颛.电机常用材料手册[M].西安:西科学技术出版社,2001■
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