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楼主: zengxiaodong

[原创] 电机电磁场的边界问题

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[LV.7]常住居民III

 楼主| 发表于 2018-2-19 11:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 zengxiaodong 于 2018-2-19 18:16 编辑

远场单元可以更准确地模拟无穷远边界条件,号称比“磁力线平行”更精确!但是实际计算的结果表明,大多数情况下,误差是可以忽略不计的。

还有循环对称(Cyclic Symmetry)其实也是用处不太大。

ANSYS Mechanical APDL Cyclic Symmetry Analysis Guide.pdf (1.53 MB, 下载次数: 10)

电磁场循环对称分析实例.pdf (317.52 KB, 下载次数: 4)
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[LV.7]常住居民III

 楼主| 发表于 2018-2-19 13:08 | 显示全部楼层
下面这些资料是Ansoft maxwell的

09_14_BasicBoundaryConditions.pdf (1.21 MB, 下载次数: 11)

11_4_Motor2D_Prius_IPM.pdf (1.93 MB, 下载次数: 13)

11_2_Machine_Training_PM_Synchronous.pdf (1.92 MB, 下载次数: 16)
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 楼主| 发表于 2018-2-20 10:32 | 显示全部楼层
本帖最后由 zengxiaodong 于 2018-2-20 10:34 编辑
闪闪悠语 发表于 2018-2-7 00:18
曾老师您好。请问,coil被分割后,winding怎么设置呢?我把coil切割后,空载反电动势A相和其他两相不一样 ...


你这个计算实例,雄辩地证明了分割位置可以随便选定,都不会影响计算的结果!

https://bbs.simol.cn/thread-172040-1-1.html
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 楼主| 发表于 2018-2-20 21:31 | 显示全部楼层
虽然循环对称(Cyclic Symmetry)的专门算法在结构和流体中占有极其重要的地位,但是在电磁场中(尤其是二维问题中)却是并不那么有用的,而且只适用于静态场计算。

下面用一个简单例子来说明,直接导入下面的模型简单操作一下即可。
magtest.rar (132.3 KB, 下载次数: 7)
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 楼主| 发表于 2018-2-20 21:35 | 显示全部楼层
启动Ansys经典。

第一步,resume
1.jpg

第二步,设定循环对称
2.jpg

第三步,设定对称选项
3.jpg

第四步,设定奇对称
4.jpg
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 楼主| 发表于 2018-2-20 21:39 | 显示全部楼层
第五步,求解
5.jpg

第六步,画磁密矢量图
6.jpg

第七步,画磁力线
7.jpg

第八步,磁力线结果
8.jpg


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 楼主| 发表于 2018-2-20 21:41 | 显示全部楼层
上面的八个步骤用APDL命令如下:

cyclic,2
/solu
cycopt,hindex,odd
solve
FINISH
/post1
/vscale,1,1,1
plvect,b,,,,VECT,ELEM,ON,0
plf2d
FINISH
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 楼主| 发表于 2018-2-21 16:52 | 显示全部楼层
zengxiaodong 发表于 2018-2-19 11:52
远场单元可以更准确地模拟无穷远边界条件,号称比“磁力线平行”更精确!但是实际计算的结果表明,大多数情 ...

远场单元,也叫无穷远边界条件,在Ansoft Maxwell中叫做气球边界条件。
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 楼主| 发表于 2018-2-22 16:54 | 显示全部楼层
本帖最后由 zengxiaodong 于 2018-2-22 17:28 编辑

在外文文献《Permanent Magnet Motor Technology》(3rd Edition)中,也有“Interconnection”边界条件,可以翻译成“互相关联”边界条件,其实就是我们上面反复提到的周期性边界条件!

无标题.jpg

最后一个公式3.68高度概括了周期性边界条件(尤其是半周期边界条件),但是,美中不足的是,没有提到公式的适用前提,那就是“最简电机”!


Permanent Magnet Motor Technology (3rd Edition).part1.rar (3.5 MB, 下载次数: 7)

Permanent Magnet Motor Technology (3rd Edition).part2.rar (3.5 MB, 下载次数: 6)

Permanent Magnet Motor Technology (3rd Edition).part3.rar (3.31 MB, 下载次数: 6)


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 楼主| 发表于 2018-2-23 15:58 | 显示全部楼层
关于“单元电机”以及“最简电机”的概念,请参考下面的帖子。

https://bbs.simol.cn/thread-33371-1-1.html


而且,可以相当自豪地说,“最简电机”是本人独自首创并提出的概念,目前并未见诸国内外文献!
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 楼主| 发表于 2018-2-25 21:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 zengxiaodong 于 2018-2-25 21:31 编辑

这里有一篇学位论文,其中永磁电机是72槽66极,不仅计算出q=0.5(第29页),而且更神奇的是,用Ansoft分析时,竟然用的是1/4模型(第48页),我实在想不出来他怎么分析得到结果的?!

工业机器人直接电驱动技术研究.pdf (3.48 MB, 下载次数: 14)
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 楼主| 发表于 2018-2-26 21:48 | 显示全部楼层
本帖最后由 zengxiaodong 于 2018-2-26 21:59 编辑

这里有一篇沈阳工业大学学报的论文,用Ansys计算了24槽20极永磁电机的电磁场分布,用的是单元电机模型,这是最容易理解、最稳妥可靠、也是最便于操作的简化分析方案。

轮式机器人用直接驱动电机的设计.pdf (256.36 KB, 下载次数: 5)

12槽10极电机,由于槽数为偶数,所以可以进一步简化成6槽5极的“最简电机”模型,这样就可以再缩小一半的计算规模,尤其在非线性瞬态分析时能大大节约电脑的计算时间!

我自己多次计算过6槽5极(见35楼),或者6槽7极的电机,而且两者的线圈分布完全相同,只是旋转方向相反而已。

磁场强度.jpg



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[LV.7]常住居民III

 楼主| 发表于 2018-3-4 10:52 | 显示全部楼层
在别的帖子里,我举了一个例子是10槽8极的,其单元电机是5槽4极,显然这个电机不可能是我们通常理解的3相电机,因为无法构成3相对称绕组!但是可以构成5相对称绕组。

因为5槽4极单元电机的槽数是奇数,因此不能再继续简化成半周期模型,也就是5槽4极单元电机本身也是最简电机

如果我们思维更加发散一些呢?

假设一个16槽14极的单元电机,它是不是一定能够简化成8槽7极的最简电机呢?
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[LV.1]初来乍到

发表于 2018-3-7 07:10 来自手机 | 显示全部楼层
48槽8极,磁场计算模型一般取1个极,极数也为奇数,其为最简计算模型,但物理电机不可能为奇数极。
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[LV.1]初来乍到

发表于 2018-3-7 07:22 来自手机 | 显示全部楼层
单元电机槽数为奇数的,由于对称条件,计算模型必须取一个单元电机,槽数为偶数的,计算模型根据奇对称条件可以只取一半。楼主所说的最简电机换成最简计算模型更为合适。单元电机应该是从电机学的角度去定义,最简计算模型应该是从数值计算方法的角度去定义
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[LV.1]初来乍到

发表于 2018-3-7 07:23 来自手机 | 显示全部楼层
对于多相电机,与三相电机类同,举一反三。
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 楼主| 发表于 2018-3-7 09:40 | 显示全部楼层
pengchangjun 发表于 2018-3-7 07:22
单元电机槽数为奇数的,由于对称条件,计算模型必须取一个单元电机,槽数为偶数的,计算模型根据奇对称条件 ...

你这个最简计算模型确实比我的“最简电机”更加严谨!
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 楼主| 发表于 2018-9-23 20:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 zengxiaodong 于 2018-9-24 09:35 编辑

看到Flux软件的一个讨论,就是应用周期性边界条件时容易出现错误,这个错误在ANSYS中也是经常发生的,那就是扇形直线边界上节点数要完全相等(也要完全径向一一对应)。


file000.jpg


因此在分网时要设定分网的要求,例如设定单元边长度(且不允许调整)相等来确保对应边界上的节点一一对应。这是因为耦合方程的原理仅仅是建立对应节点的矢量磁位相等,而气隙节点是用约束方程来建立联系的,就没有这个要求,可以根据节点位置进行插值计算。


无标题.jpg
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 楼主| 发表于 2019-4-7 10:03 | 显示全部楼层
关于自然边界条件和强制边界条件的通俗说明:

拿二维电磁场分析来说吧,一般是变换为矢量磁位A来求解,也就是每个节点只有一个自由度AZ,在边界上,如果什么特殊的情况都不考虑,也就是所谓的自然边界条件,那么边界上每个节点的AZ就应该是各自独立的,彼此之间没有什么关系,这种情况下,对应的就是磁力线垂直通过边界,因为磁力线实质上就是等A线;反之,如果我们强加一个条件,让边界上的每个节点其AZ相等(一般设为都等于零),显然这不是一种自然状态而是一种人为“强制边界条件”,前面说过,磁力线是等A线,所以强制边界上AZ相等就成了强制让磁力线与边界平行了!
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[LV.7]常住居民III

 楼主| 发表于 2019-4-28 11:40 | 显示全部楼层
说白了,讨论周期性边界条件的意义是尽可能减小电磁场计算的规模,也有提高计算精度的作用:一方面是显而易见的可以采用更密的网格划分,另一方面是有点晦涩难懂的原因,那就是强制的周期边界条件在理论上更加符合实际的电机模型。

具体解释一下,假设我们不利用周期性边界条件,而是采用整个电机模型进行计算,网格密度保持不变,这样计算出来的结果,当然是正确的,但是仔细考察电机中周期性重复的位置,很显然其对应位置的结果不会是精确无误差地周期重复,这是数值计算不可能避免的误差,无论网格细化到多少都是不可能解决的!反之,如果利用周期性边界条件建模的话,相当于周期位置的物理量被强制为完全精确无误差地相等,这正是理论情形,因此说这样的模型更精确了。

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