基于ANSYS的异步牵引电机电磁场分析软件的开发

摘要

随着我国高速铁路的飞速发展，电力机车牵引传动系统及其关键技术装备也得到快速发展。客运高速、货运重载是目前电力机车发展的两个主要方向。异步牵引电机作为电力机车牵引传动系统中的关键技术装备之一，其运行可靠性直接关系到电力机车的安全运行。由于不同型号电力机车对异步牵引电机的要求不同，近年来，轨道牵引的发展致使牵引传动系统所需要的牵引电机类型和型号繁多，大大增加了异步牵引电机的设计频率，若仍采用传统建模方法和电磁校核手段，耗时费力。因此，针对目前异步牵引电机设计与制造过程中存在的问题，本文开展了如下主要研究工作:
　　(1)分析了电机电磁场分析的基本原理和数值分析方法，在此基础上，建立了电机场路耦合的数学模型，并结合ANSYS软件，建立异步牵引电机的场路耦合方程和有限元仿真模型，为异步牵引电机电磁场分析软件平台的开发提供了理论支撑。
　　(2)开发了一套异步牵引电机电磁场分析软件平台。针对大功率异步牵引电机的设计，利用ANSYS软件的UIDL语言编写了人性化的人机交互界面，并编写了基于APDL参数化设计语言的异步牵引电机场路耦合的正弦涡流场分析及瞬态电磁场分析的电磁场通用分析程序，并通过人机交互界面驱动这些电磁通用分析程序，实现了异步牵引电机的快速建模及电磁场仿真，并将开发的专业软件包集成到ANSYS标准界面中。
　　(3)以某电机厂提供的一台异步牵引电机为研究对象，对软件平台的可行性进行了验证。通过本文开发的电磁场分析平台对该样机的电磁场进行了模拟分析，得出了电机负载情况下电机内部磁力线的分布、转子导条电流密度的分布、定子侧电流曲线、气隙磁密曲线、谐波含量图、电磁转矩曲线等。并将分析计算结果与试验测试结果进行了对比分析，结果表明:仿真计算与测试结果保持良好的一致性，从而验证了本文开发软件平台具有很好的工程可行性。
　　(4)在异步牵引电机电磁场分析平台上，开发了转子断条故障分析功能模块。针对异步牵引电机常见的转子断条故障，分析了不同转子断条故障对电机气隙磁场、转子导体电流以及运行中电磁转矩的影响，并将仿真结果与理论分析结果进行了对比分析，结果表明:基于场路耦合法的转子断条故障仿真结果能准确模拟出异步牵引电机的故障条件下的电磁暂态过程，为异步牵引电机的在线故障监测提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 本课题国内外研究现状

1．2．1 电机电磁场有限元法研究现状

1．2．2 异步牵引电机研究现状

1．2．3 基于ANSYS二次开发的研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 电机电磁场有限元分析方法

2．1 电磁场数值分析方法

2．1．1 有限差分法

2．1．2 有限元法

2．1．3 边界元法

2．2 时变电磁场有限元模型

2．2．1 麦克斯韦电磁场基本理论

2．2．2 时变电磁场微分方程

2．2．3 单元剖分与插值

2．2．4 总体合成

2．2．5 边界条件处理

2．2．6 总体方程求解

2．3 本章小结

第3章 基于场路耦合的异步牵引电机电磁场分析方法

3．1 基于ANSYS的电磁场的场路耦合基本原理

3．2 异步牵引电机电磁场的场路耦合方法

3．2．1 异步牵引电机端部参数折算

3．2．2 电机定子部分场路耦合方程

3．2．3 电机转子部分场路耦合方程

3．3 对电机转子运动问题的模拟

3．4 电机电磁转矩的求解方法

3．5 本章小结

第4章 异步牵引电机电磁场分析软件设计

4．1 UIDL界面设计语言

4．2 异步牵引电机电磁场分析软件界面设计

4．2．1 软件界面主菜单设计

4．2．2 软件界面功能菜单设计

4．3 异步牵引电机电磁场分析软件参数化模块设计

4．3．1 电机参数化建模模块的设计

4．3．2 单元选择与材料属性模块设计

4．3．3 网络剖分与场路耦合模块的设计

4．3．4 求解类型与求解结果模块设计

4．4 软件封装

4．4．1 ANSYS调用UIDL方法

4．4．2 UIDL驱动APDL参数化程序方法

4．5 异步牵引电机正弦涡流场分析

4．5．1 异步牵引电机样机参数

4．5．2 异步牵引电机正弦涡流场分析

4．6 异步牵引电机瞬态电磁场分析

4．7 本章小节

第5章 异步牵引电机转子故障的电磁场分析

5．1 软件对转子断条故障模块设计

5．2 转子断条故障前后磁力线的变化规律

5．3 转子断条故障前后气隙磁场的变化规律

5．4 转子断条故障前后导条电流的变化规律

5．5 转子断条故障前后电磁转矩的变化规律

5．6 本章小节

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的主要成果