12-110423-基于ANSYS的永磁电机转子接触有限元分析-1-3-46-48

船电技术|电 机 Vol.31 No.10 2011.10 基于 ANSYS 的永磁电机转子接触有限元分析 陈起旭  张国平  石婷婷    (青岛海西电机有限公司，青岛 266000 ) 摘 要： 本文介绍了 ANSYS 有限元软件在非线性接触问题的建模方法以及求解不收敛问题的常规的处理方 法。以某立式永磁电机转子与磁钢的接触分析为例，建立了三维有限元模型，得出了永磁电机转子在离心力作 用下的等效应力、合位移分布，找出了模型中的薄弱环节，为电机转子设计提供依据。 关键词：永磁电机 转子铁心 磁钢 接触单元 中图分类号：U664.14 文献 标识 采样口标识规范化 下载危险废物标识 下载医疗器械外包装标识图下载科目一标识图大全免费下载产品包装标识下载 码：A 文章编号：1003-4862(2011)10-0046-01 Contact FEM Analysis of Permanent Magnet Motor Rotor Based on ANSYS Chen Qixu, Zhang Guoping, Shi Tingting (QingDao Haixi electrical machine limited corporation , QingDao 266000， China) Abstract: The modeling method of nonlinear contact problem and routing method of solving non-convergence problem are introduced with ANSYS finite software. Take the contact analysis of a vertical magnetic motor rotor and iron core for example, 3D finite modeling is created, and the von mises stress and the sum of displacement of rotor are also obtained. The weakness of modeling is found and beneficial to rotor design of motor. Key words: permanent magnet motor; rotor iron core; magnetic steel; contact element 1 引言 永磁同步电机以结构简单紧凑、高能量密 度、高功率因数以及良好的可靠性在国防、工农 业生产等领域获得了广泛应用。其中内置式转子 结构以可放置较多永磁体，每极磁通大等优点常 被采用，但是内置式结构的缺点：漏磁大，需要 采取一定的隔磁 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，转子机械强度差的因素同 样不容忽视[1]。在电机的设计中，为使电机能安全 运行于性能指标所要求的整个转速范围内，应该 校核转子结构在超速运转时，在离心力作用下， 不发生严重的塑性变形和应力破坏[2]。本文使用 ANSYS 参数化编程语言 APDL，通过接触有限元 方法对一对磁极的转子结构进行了强度校核。 2 接触问题的描述 在工程中会遇到大量的接触问题，如齿轮啮 合、法兰连接、轴与轴承接触、卡头与卡座的接 触等。接触状态是一种高度非线性行为，加上在 求解之前可能不知道接触区域的范围；表面之间 是接触还是分离的；表面之间突然接触或者分离 会导致系统刚度的突然变化。而且大多数接触问 题需要计算摩擦，而摩擦是与路径有关的现象， 摩擦响应还可能是杂乱的，使求解往往难以收 敛。 对于非线性接触问题，建立起来的非线性方 程组在 ANSYS 中需要通过 Newton-Raphson 迭代 法求解，非线性方程如下：  t ai i iK U F F nr              其 中 每 次 迭 代 的 位 移 增 量 ：      1i iU U U   i {} ； 应 用 载 荷 矢 量    aF K U     ； tiK   ：雅克比矩阵；i：当前平 衡跌代数； nriF  ：恢复载荷矢量； 46 收稿日期：2011-04-22 作者简介：陈起旭 (1982－)，男，助理工程师，研究方 向：电机结构设计与分析。 Vol.31 No.10 2011.10 船电技术|电 机   a niR F F         r ：剩余（或者失衡）力矢量；  0.001 aR F   ：为收敛准则，即剩余力矢量必须 小于应用载荷的 0.1%。 在平衡迭代期间，ANSYS 都要假定一个位移 增量  iU ，然后计算  ti iK U     ，理想情况下， 应等于应用载荷 aF  ，从而得到收敛解。但考虑 到实际情况，还存在一个恢复力 。如果刚度 阵 nr iF  t iK  的值很大，则在该位移增量  iU 下，将得 到一个很大的力，可能导致矩阵的病态。接下来 剩余失衡力矢量   a niR F F       r 被计算，同时与 收敛准则相比较   0.001 aR F   ，若满足，进行下 一个子步的迭代。在下一次的迭代中  iU 被调 整，  R 被重新计算，继续迭代直至求解收敛结束 [3][7]，本文即是基于以上迭代准则进行调试接触的 收敛问题的。 3 接触有限元模型的建立与求解 在 ANSYS 中可以采用三种不同的单元来模拟 接触：点-点接触单元、点-面接触单元、面-面接 触单元。接触单元就是覆盖在分析模型的接触面 上的一层单元来传递接触应力。 转子主要参数及工况： 转子外径 310 mm，转子内径 110 mm，隔磁 桥的厚度 2 mm，硅钢片弹性模量 2.1E11 Pa，泊松 比 0.27，永磁体弹性模量 1.13E11 Pa，泊松比 0.23，转速 2400 r/min。 在该电机的转子结构中，转子铁心与永磁体 是通过建立接触对的方式来建立连接，考虑到转 子的对称性，取转子部分的 1/6 作为分析对象，从 Pro/E 中导入几何装配体模型，如图 1 所示。 在 ANSYS 中划分网格得到有限元模型，如图 2 所示，然后在转子铁心与永磁体可能发生接触的 面铺设接触单元和目标单元。在本文分析中，共 建立了 8 对面-面接触单元，2 对点-面接触单元。 其中面-面接触对中，接触单元选用 CONTA174， 目标单元选用 TARGE170，点-面接触对中，接触 单 元 选 用 CONTA175 ， 目 标 单 元 选 用 TARGE170，不同种类的接触对通过定义不同的实 常数 R 来识别，摩擦系数为 0.2。建立的接触对单 元如图 3 所示。 图 1 1/6 转子几何模型 图 2 1/6 转子有限元模型 图 3 点-面、面-面接触对单元图 在此模型中，选用的接触算法为增广的 Lagrangian 算法，为了减少过多的迭代次数，设置 了最大的平衡迭代数，通过不断的调试法向刚度 因子 FKN，穿透公差因子 FTOLN，增大子步数 等，以及设置单元的键选项等，得到了稳定的收 敛解[2、6]。 其中合位移最大值为 0.00576 mm，发生在两 块永磁体之间的转子铁心的外圆周部分，若不考 虑转子部分相对于定子部分的偏心，远远小于 0.1 47 船电技术|电 机 Vol.31 No.10 2011.10 倍的气隙，如图 4 所示。 图 4 节点合位移图 图 7 磁钢等效应力图 其最大等效应力为 89.5 MPa，发生在隔磁桥 部分，而硅钢片的抗拉强度可以达到 340~440 MPa，如图 5 所示。通过分析合位移、等效应力均 在许应的范围之内，而且在此工况下，安全裕量 很大。 4 结束语 应用 ANSYS 对永磁电机转子部分进行了三维 接触有限元分析，得出了由此电机转子的合位移 和等效应力分布情况，分析结果表明，该电机转 子在离心力作用下不会发生塑性变形和应力破 坏，在机械强度方面，可以保证电机的安全运 行。 参考文献： [1] 王秀和. 永磁电机. 北京：中国电力出版社，2007. [2] 姜彤, 李殿起, 韩立. ANSYS 在永磁电机转子强度接 触 有 限 元 分 析 中 的 应 用 . 机 械 设 计 与 制 造 , 2008(11) :87~89. 图 5 等效应力图 [3] Joseph T Metrisin. Guidelines for obtaining contact convergence.2008 international ANSYS conference. 将两个零件独立出来，查看其等效应力，转 子铁心受力较大部分为隔磁槽部分，如图 6 所 示。永磁体受力较大部分为靠近转子铁心处，因 烧结钕铁硼是一种类似于粉末冶金的永磁材料， 能承受较大的压应力，可达到 1000 MPa[5]，如图 7 所示，在该工况下，转子部分不会发生应力破 坏。 [4] 陈世坤. 电机设计. 北京：机械工业出版社，2000. [5] 王继强，马俊强，李连春. 高速永磁电机转子护套强 度分析. 沈阳化工学院学报.2009,23(1):46~48 [6] 张立春, 柳长江. ANSYS 在电机机械计算中的应用 船 电技术 2005(6):13-15. [7] Simo JC,Laursen TA. An augmented lagrangian treatment of contact problem involving friction. Computers and Structures, 1992,42(1):97~116. 图 6 转子铁心等效应力图 48