基于COMSOL旋转机械电机的电力电磁耦合分析.pdf

务I 匐 似 基于C O MS O L 旋转机械电机的电力电磁耦合分析 Si m ul a t i on anal ysi s o f r ot at i ng m achi ne al t er na t or bas ed on f i ni t e el em ent anal y si s s of t w ar e COM SOL 郭军，刘金超，贾阳，佘金涛 GUO J u n 。 L I U J i n c h a o ， J I A Y a n g ， YU J i n - t a o ( 信阳供电公司，信阳 4 6 4 0 0 0 ) 摘要：本文利用有限元分析法分析具永久磁铁及非线性磁性材料的转子是在同样磁性材料的定子中 旋转时产生的感应电压 ， 结果发现产生的电压以时间的函数计算出来。该有限元模型能够模 拟材料参数，旋转速度，绕组的匝数对发电机产生感应电压的影响。 关键词：有限元法；非线性磁性材料；直线驱动电机；仿真分析 中图分类号：T P 3 9 3 0 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 0 1 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 9 ( 上) 一 0 0 5 3 0 4 D o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 2 9 ( 上) 1 7 0 引言 旋转机械发电机是利用机械能和磁能转换为电 能的装置，在水电 ，风电及热电等领域应用广泛 ， 尤其在风电领域取得 了成功的应用，是未来风力电 机组发展应用的一个主要研究领域，因此旋转机械 发电机的研究和开发是发电机领域研究的难点和热 点 i t 。 目前 ，依靠现有的经验和模型实验等传统设 计方法来验证模型的合理性，不仅 占有大量的研发 时间和耗费大量资本，而且在优化设计方面和产品 研发周期等方面都具有一定的局限性 ，很难从根本 上实现直驱发电机的快速设计 口 j 。 随着数值分析技与计算机仿真技术迅速发展 ， 使许 多实际工程应用设计问题得到 了有效解决 。 通过计算机数值模拟技术的引入，可 以快速的实 现产 品的优化设计，并降低产品的研 发成本 ，这 样改变了以前的样机测试开发途径 ，转变成现 在 较为流行的虚拟样机研发方法 。本文利用有限 元分析法分析由于具有永久磁铁 的转子 的圆周旋 转运动在具有相同磁性材料的定子 绕组 中产生感 应 电动势 ，结果发现发电机 产生的电压是时间的 函数。该 有限元模型能够模拟材料 参数 ，旋转速 度 ，绕组的匝数对发电机产生感应电压的影响。 1 材料模型 发 电机转子 中心 由退火的中碳 钢，这是一种 具有较高相对磁 导率的非线性铁磁材料。发电机 转子 中心周围围绕着几个块状钐钴永久磁铁 ，这 样就建立 了一个强大 的磁场。定子 和转子 中心使 用具有相 同相对磁导率 的材料 ，将磁场局限于 闭 环中。线圈绕组绕定子磁极。 软铁材料磁滞属性可以在 C O MS O L的 AC D C 模块的材料库中预先设置的，软铁材料 的 B - H磁 滞 属性 见表 l 。发 电机 的定 子和转子的 中心都是 由退火的非线性中碳钢 ( 软铁) 的非线性磁性材 料 组 成，其 材 料 的磁 滞 属性 可 以通过 C OMS o L Mu l t i p h y s i c s 的 B H 曲线插 值功 能来 实现 。该插 值功能可用于在子域 的设置上。一般情况下 ，B H 曲线被认为是 l B l 对 I H l 的函数，但是对于 C OMS O L Mu l t i p h y s i c s中的旋转机械，磁性接口来 说，B H曲线必须是 I H I 相对于 I B l 的函数。 因此，通过 H - 数 据作为 厂 ) 的输入和 B 一 数 据作 为 的输入并利用插值 函数来得到它们之 间的关 系表达式 ，其插值曲线如图 1 所示。 表1 软铁材料的B H 磁滞属性 H 0 6 6 3 1 0 6 7 1 7 0 5 2 4 63 3 8 41 5 4 2 5 7 9 5 7 1 2 2 9 8 2 O 4 6 2 B 0 1 1 1 1 2 l - 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 H 图1 软铁材料磁滞属性的B H 插值 曲线 收稿日期：2 0 1 2 - 0 6 - 2 6 作者简介：郭军 ( 1 9 6 6 一)，男，河南信阳人，工程师，本科，研究方向为电力运行与管理。 第3 4 卷第9 期2 o 1 2 9 ( 上) 5 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 挑 选 ，以显示相邻 定子和转子磁 极之 间的 闭环。 一 些流线在发电机的边缘被绘制 ，这可 以表示在 q n (fl u x d e n s n o r m I T1 H n e 啦 xt i g ri s lO ， 7 图6 直驱发电机旋转产生的磁通量密度的切面图和流线图 区域有电磁场存在 。 4 结论 本文利用有限元分析法建立 了旋转机械发 电 机的二维和三维有限元模型 ，分析 由于具有永久 磁铁的转子 的圆周旋转运动在具有相 同磁性材料 的定子绕组 中产生感应 电动势。仿真结 果表 明， 该有限元模型可以用来优化设计旋转机械发电机 ， 通过改变材料参数 ，旋转速度 ，绕组 的匝数来年 研究对发电机产生感应电压的影响。 参考文献 ： 【 1 】宿国栋， 靳伟 3 0 k W双转子永磁发电机磁场有限元研究 f J 1 电机 与控制应用， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 6 ) ： 1 4 1 6 2 谢峰， 沈维蕾， 周必成 风力发电机机舱的静、动态特性 有限元分析 J 制造业 ca动化， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 9 ) ： 4 6 3 郑甲红， 杜翠 Mw级 风力发电机轮毂 有限元分析【 J 】 制 造 业 自动化， 2 0 0 9 ， 3 2 ( 9 ) ： 5 5 5 6 【 4 】琚 莉， 彭云， 袁振伟 ， 王 三保， 周惠兴 一种 新型永 磁直 线同步电机 绕组的有限元分析 J 】 制造 业 自动化， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 5 1 ： 1 3 9 1 41 意 毒 品 出 霸毒霸 蠡 出 毒赢 蠡 蠡 鱼 矗 缸 【 上接第4 0 页】 协 调器组成，对其硬件进行了描述 ，同时对系统 的软件流程进行了详 细设计。最后，通过运行系 统 进行测试 ，结果表明系统能实现对家居安防的 实时数据采集和监控 ，并具有建设维护费用低廉 、 不受环境约束 、以及软件升级容易等优点。 参考文献： 【 1 】Ca r i e s Go me z ， J o s e p P a r a d e l l s W i r e l e s s h o me a u t o ma t i o n ne t wor ks ：a s ur ve y of a r c hi t e c t ur es a nd t e ch nol ogi es Co n s u me r c o mmu n i c a t i o n s a n d n e t wo r k i n g ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 9 2 1 01 【 2 】J e r e my El s o n ，Le wi s Gi r o d ，De b o r a h Es t r i n F i ne gr a i n e d Ne t wo r k Ti me Syn c hr on i z a t i on Us i ng Re f e r e nc e 1 5 6 1 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 ( 上) Bo r a d c a s t s C】 F i f t h S y mp o s i u m Op e r a t i n g S y s t e ms De s i gn a n d I mpl e me nt a t i on ，Bos t o n，M a s s a e h us e t t s ，US A， 2 00l ：1 - 2 3 俞文俊， 凌志浩 一种物联网智能家居系统的研 究 J J 自 动化仪表， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 8 ) ： 5 6 5 9 f 4 1严萍， 张兴敢， 柏业超， 杜仲林 基于物联网技术的智能安 居系统f J 】 南京大学学报( 自然科学) ， 2 0 1 2 ， 4 8 ( 1 ) ： 2 6 3 2 【 5 刘三军， 向丽萍， 徐建， 李晓艳 基于多C P U的智能机房物 联网系统【 J 】 微电子学与计算机， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 8 3 1 8 5 ， 【 6 L e e J i n S h y a n ， Hu a n g Ya n g Ch i h I T RI Z Bn o d e ： A Z i g Be e I E E E 8 0 2 1 5 4 P l a t f o r l T l f o r Wi r e l e s s S e n s o r N e t w o r k s C Pr o c of 2 00 6I EEE I n t e rna t i o na l Con f e r e nc e o n S ys t e ms ， M a n a nd Cy be r n e tics Tai p e i ，Ta i wa n，Ch i n a：I EEE Pr e s s ， 2 0o 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m