ANSYS 在永磁电机设计中的应用

 

    近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和
耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，稀土永磁电机在国
防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。永磁电机采用永磁体励磁，
电机内部的电磁场分布较为复杂，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差，为
保证计算的准确，一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。应用有限元法进行
数值分析，需对有限元法熟炼掌握，编制计算程序，工作繁锁且精度不高，后处理能力
有限。ANSYS 是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，该软件融结
构、热、电磁、流体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具有极为强大的前、后处理
功能。在使用上，使用者只需输入所要计算的问题，便可获得结果，并可对结果进行进一
步的开发使用，而不需要了解求解的详细过程，更不需要掌握有关技巧和编制任何程序 ，
极大地方便了使用，节省了时间和精力。具体到电机设计上，无论任何结构、任何形式的
永磁电机，只要将其模型输入 ANSYS 就可进行求解，通过后处理得到磁密分布、磁场分
布、磁场强度分布、电磁力分布及转矩分布的彩色云图和单元列表，非常直观明了并且计

 

算精度很高。

    本文通过对某海上设备用高速永磁同步发电机的设计，较为详细地说明了用 ANSYS 进

 

行电机内电磁场分析的具体过程，并给出了样机测试结果。

    2

 

　永磁同步发电机的性能指标和基本结构

    该稀土永磁发电机经变流设备带动一组脉冲负载，要求电机输出两组三组电压 ±33V
（相电压），功率为 2kW，电压变化率为±2%，电机转速为 24000r／min，体积和重量要
求极为严格。电机采用 R2Co17（钐钴 2：17）永磁体，转子采用 6 对极瓦片式结构，外加
不锈钢紧固套，定子采用 36 槽结构，定子绕组输出频率为 2000Hz  

。

    3　用 ANSYS

 

进行电机电磁场分析

    本文采用 ANSYS5．6 版本的 Multiphysics 模块进行电机电磁场分析，可分为三个阶段：

 

前处理、运行计算和后处理。

    3．1

 

　前处理

    这一阶段包括定义单元类型、建立分析模型和定义各部分材料的性质。单元类型定义为
电磁分析（Electromagnetic）轴对称型。本文设计的稀土永磁发电机为 6 对极对称结构，
其电磁场分析模型采用一个极距范围，如图 1 所示。模型可用 ANSYS 提供的用户界面
Workplane 绘制，也可由 Pro／E、UG 或 AUTOCAD 绘制然后读入。

    输入各种材料的性能：永磁材料的磁导率和矫顽力，非导磁材料（空气、线圈、磁隔）
的磁导率，定子铁心（硅钢片）和转子磁轭（电工纯铁）的磁化曲线，然后将其一一赋
予模型，再将模型中各材料面积融合为一体。

    3．2

 

　运行处理