第3章
基于ANSYS Workbench的机电系统建模

3.1 Maxwell电磁力仿真模块

ANSYS是一款计算机数值模拟的仿真软件，其中的Maxwell模块主要用于2D或3D的电磁仿真，包括电机、激励器、变压器以及其他电气和机电设备等。其仿真计算基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将模型中的电磁场计算变为矩阵求解。

利用该软件建立发电机模型共有3种方法。第一种方法是使用该软件自带的Maxwell2D/3D模块直接绘制电机的结构及部件，之后再分别设定电机绕组的材料、连接方式和激励源，最后建立完整的电机模型。第二种方法是使用其他专业的绘图软件先绘制出电机结构再进行导入，并最后完善出完整的电机模型。第三种方法则是使用该软件自带的RMxprt模块进行参数化设计，该方法只需要输入已知的电机参数就可以得到完整的电机模型，本书结合第一种和第三种方法生成发电机三维仿真瞬态模型。下面以某核能汽轮发电机为例说明其建模过程。

1.RMxprt模型建立

在ANSYS Electronics Desktop软件中建立一个RMxprt模型。

1）根据核能发电机要求选择建立三相隐极式同步电机模型。

2）设置发电机基本参数，点开“Machine”，设置极数为4，转速为1500r/min。

3）设置发电机定子基本参数，该型发电机定子铁心外径为3500mm，内径为2160mm，叠压系数为0.95，定子槽数为42，定子槽尺寸及绕组参数设置如图1.3-1所示。

设置发电机定子参数时，受限于计算机条件，将发电机定子铁心的长度由原要求的7950mm，设置为其1/10的大小，即795mm，由现有的文献可知其满足分析要求。

4）设置发电机转子基本参数，该型发电机转子铁心外径为1950mm，内径为800mm，叠压系数为0.95，转子虚槽数为72，转子实槽数为48，转子槽尺寸及转子绕组参数设置如图1.3-2所示。

5）设置求解参数，并检查无误后进行求解，如图1.3-3所示。

2.三维模型建立

在ANSYS Electronics Desktop软件中由已经建立的RMxprt模型求解并生成其3D模型。

1）RMxprt模型求解完成后，生成3D模型，并进行网格划分，如图1.3-4所示。3D模型继承了“RMxprt”模块自动生成的四面体网格，并运用了3种操作进行网格细化：

①“on selection/length based”：控制实体表面网格的三角形尺寸。转子绕组最大长度为80mm；定子绕组最大长度为150mm；其他对象最大长度为620mm。

②“surface approximation based”：细化具有曲面的几何体。应用在定转子绕组上，允许四面体法线偏移量30°。

③“cylindrical gap based”：使网格无限接近其内部的几何实体外形，用于求解定转子铁心之间气隙。

2）设置转子绕组的激励和匝数，使用电流激励，其中输入的直流电按额定电流5889A，支路数是1条。设置转子每槽匝数，近大齿处（0、6、12、18号绕组）为6，其他槽为7，转子槽位置如图1.3-2d所示。

3）设置定子绕组A相、B相、C相绕组的激励类型为外电路，来模拟它的负载情况，可通过编辑或导入的形式使物理模型与外电路耦合，如图1.3-5所示。

4）加载其求解力的参数，由于本书是研究定子绕组的电磁力及力学响应，故需要将42根定子绕组以电磁力的参数形式加载到parameters中。

5）设置3D模型电磁力求解参数，仿真结束时间设为0.24s，步长为0.001s。其中需要保存的场的数据如图1.3-6所示。

6）检查是否完整无误，然后求解。