270 V高压稀土永磁直流电动机电磁场分析

摘要：具体详述利用Ansys软件对电机电磁场的分析，包括建模、网格剖分、加载求解。分析结果表明达到了设计要求。

   新一代航空电源系统将采用270 V高压直流供电系统。这一电源系统的引入使得系统的传输功率和传输效率大大提高。“全电飞机”采用传统的航空液压系统被电动系统所替代。由于这些原因，特别是采用稀土永磁电机，使其性能又有了进一步的提高。270 V高压稀土永磁直流电机相比普通的低压直流永磁电机有多方面的优势，比如电流减小、铜损耗降低、耗铜量降低、磁性材料用量减小、电机体积变小等。因此开发270 V高压直流稀土永磁电机具有现实意义。

1  电机结构及电磁均数学模型

   电机剖面示意图如图1所示。机壳材料采用10号钢，磁钢材料为稀土永磁材料，转子为软磁合金，定子为l对磁极，转子为1l齿。

   电机电磁场分析以麦克斯韦电磁场方程组为基础，Ansys软件进行电磁场分析时也同样以此为基础，即：    （1）  （2）

  图1电机剖面示意图

▽·{B}=0   (3)   ▽·{D}=ρ  (4)

   式中：▽×为旋度算子；▽·为散度算子；{H}为磁场强度矢量；{J}为总的电流密度矢量；{Js}为外施激励源电流密度矢量；{Je}为感应涡流密度矢量；{Jv}为速度电流密度矢量；{D}为电位移矢量；f为时间；{E}为电场强度矢量；{日}为磁感应强度矢量；ρ为体电荷密度。

2   分析流程

   利用Ansvs进行电磁场分析，尽管分析对象各种各样，但主要的分析步骤基本相同。图2为Ansys软件分析的一般流程。

3   建模及网格剖分

在Ansys中建模分为实体建模和直接生成两种。本设计采用实体建模。实体建模又可分为自顶向下和白底向上两种，根据具体情况可以自由组合。本设计中对于定子、转轴和气隙，由于结构简单，所以采用自顶向下建模，直接生成面体素。对于磁钢和转子，由于结构复杂，采用自底向上建模，即先生成关键点，再生成线，最后生成面。本电机最终模型如图3所示。

图2分析流程

   图3几何模型图

   网格剖分是进行进一步计算的前提。网格化分的越细有限单元就越小，计算结果越精确，但同时所用的时间也就越多，对计算机的硬件要求也高。根据实际需要进行合理剖分。当模型中出现比较小的部分时，网格设置太大将无法剖分，设置太小又很费时，这时可以分块剖分网格。本设计的最终网格剖分如图4所示。

   图4网格剖分图

4分析结果

加载、求解之后就可以查看分析结果。主要包括磁力线、等值线显示(包括磁通密度、场强和总电流刻度(JTZ))、矢量显示(如B、H和FMAG的大小和方向)等。图5为本设计的磁力线分布图；图6为本设计的磁通密度图；图7为磁密曲线图。

图5  磁力线分布图

  图6  磁通密度图

   图7磁密曲线图

5结论

   分析结果表明，磁力线、磁通密度等分布合理。经过计算，相关指标达到要求。