电机CAD有限元及CAD制图上机实验报告.docx
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电机CAD有限元及CAD制图上机实验报告
现代电机CAD技术仿真报告
题目有限元及CAD制图上机实验报告
任课教师
作者
专业学号
上课时间
作业完成时间________
浙江大学电气学院有限元及CAD制图
上机实验报告
课程现代电机CAD技术实验名称有限元及CAD上机实验
系别____电气工程及其自动化______实验日期2016年月日
专业班级_____组别_____________实验报告日期2016年月日
姓名___学号__报告退发(订正、重做)
实验名称有限元及CAD上机实验
一.题目
1、绘制给定的电机二维截面图。
2、完成该电机的电磁场有限元分析。
3、基本假设
●假设为单位电机(轴向长度1m,每相绕组匝数1匝)。
●6/4极、8/6极电机,相对两极正向串联,构成一相,形成两极磁场;12/8极电机,相互垂直四极串联,构成一相,形成四极磁场。
励磁安匝只对一相绕组施加。
●冲片材料DR510-50
●尺寸单位:
mm。
●SRMx-x-0、-7、-145、-18、-225、-30表示定子极中心线与转子槽中心线的夹角,分别为0度、7度、14.5度、18度、22.5度、30度。
●绕组未给尺寸,可以近似绘制
二.环境
Windows7_64bit
AnsoftMaxwellV15、AutoCAD2014
Office2016
三.实验数据、结果分析
1.建AutoCAD图
我的电机型号为SRM9-2-18,下图为使用AutoCAD绘制的电机二位截面图。
图1AutoCAD绘制的电机截面图
做好图后,首先对这一电机进行初步分析,如图所视,该电机为开关磁阻电机,定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成(本实验中选用了DR510-50电工硅钢薄板)。
转子既无绕组也无永磁体,定子极上绕有集中绕组,径向对称的两个绕组联接起来,称为“一相”,本电机为四相8/6极,是现在应用较多的相数结构。
开关磁阻电机的控制系统由功率变换器、控制器与转子位置检测器四部分组成,其中控制器内包含功率变换器和控制电路。
在本实验中,只对开关磁阻电机本体进行电磁场分析。
2.用Maxwell软件进行分析
对电极进行初步分析后,我们就可以对这一状态下(指当前状态下,电机转子槽中心线与定子槽中心线之间的夹角为18°)的电机进行分析。
首先,将电机的二维截面图转换成面域并导入Maxwell,设定定子、转子材料为DR510-50电工硅钢薄板,气隙为空气,转子中心也为空气。
实际上,为增强转子的机械强度,转子中心一般选用钢材料,不会设计为空气,但转子一般不会饱和,中心的磁密分布也很少,且题目中并没有对损耗分析做要求,所以这里选用空气也无妨。
绕组为铜线。
1)冲片材料磁化曲线
图2冲片材料磁化曲线
此时只对上下绕组(定为A相绕组)加直流激励。
由于所建的模型将绕组匝数定为最简单的一匝,所以这里加入较大的直流激励来模拟实际的安匝数。
2)查看磁力线
为检查所建的模型是否正确,首先对A相绕组加入200nA直流激励,查看电机的磁力线走向,如下图:
图3对A相绕组施加200nA激励时电机磁力线(参数设置30)
如图3,磁力线主要走磁阻比较小的区域,电机磁力线主要分布在转子齿、转子轭、定子齿、定子轭以及A相绕组与转子之间的气息中。
其他结构中存在漏磁,如定子齿顶部漏磁、槽漏磁等。
我们可以看出,当电机转子槽中心线与定子槽中心线之间的夹角为18°时,漏磁很小。
同时,从图中的磁力线分布我们可以看到,有些地方磁力线明显较为密集,结合下图磁密分析的结果我们可以看到,磁力线较为密集的地方磁密往往较大,这与理论知识相符合。
由开关磁阻电机的运行原理得知,其运行原理遵循“磁阻最小原理”,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合,而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时,必使自己的主轴线与磁场的轴线重合,且转向与相绕组的电流方向无关,而仅取决于相绕组通电的顺序。
3)查看磁密分布
为进一步对电机进行电磁场分析,可观察电机的磁密分布曲线,如下图:
图4励磁200nA电机磁密分布(参数设置为30)
由上图4,磁力线明显较为密集的结构处,磁密也较大,磁力线左右分布对称,磁密左右分布也对称,这与理论知识相符。
4)观察剖分网格图
再观察剖分网格图,如下,可以看出,在定转子齿部,剖分线较密,密度较大,在定转子颚部剖分密度较小,因为此处的磁场分布较均匀
图5励磁200nA电机剖分网格图
5)加大励磁电流,查看磁密分布,分析电机的铁心的饱和程度:
由于本实验要求我们画磁化曲线,那么我们可以先加大励磁电流。
当取励磁为1000安匝时候,其磁场分布图如下:
磁场强度最大也只有1.2T左右,比较小,故加大励磁。
图6励磁1000A,电机磁密分布
于是通过改变励磁电流安匝数,在有限元分析中可得到不同的磁场分布图和磁密分布图,从中可得到一定励磁电流(磁势)下,各点的B-H关系。
当取励磁为2000安匝时候,其磁场分布图如下:
磁场强度最大为1.6T左右,还不到1.8T,故加大励磁。
图7励磁2000A,电机磁密分布
当取励磁为4000安匝时候,其磁场分布图如下:
图8励磁4000A,电机磁密分布
当取励磁为6000安匝时候,其磁场分布图如下:
磁场强度最大为1.8T左右。
图9励磁6000A,电机磁密分布
6)观察气隙磁场波形
当励磁电流为1000安匝时,观察气隙磁场分布:
图10励磁1000A,电机气隙磁场波形
由上图所示,根据励磁电流的流向,电机上下两磁极分别为N极、S极,则两极气息磁场方向相反。
且每极极边的两侧磁场强,磁极中心线处磁密小,这一现象与磁力线分布图吻合。
7)观察电感、转矩、磁链计算结果。
励磁为4000安匝时,电感计算结果:
转矩计算结果:
磁链计算结果:
四.总结
通过本次实验,我熟悉了cad制图的方法,以及AutoCAD软件的运用,学会了如何利用Maxwell软件进行分析,同时,对有限元分析的方法也有了更深的了解,对于电机的磁场线以及磁密的分布也有了更深刻的理解。
电机转子槽中心线与定子槽中心线之间的夹角为18°时,A相磁极左右两侧的磁路的磁阻不同,磁力线分布也不对称,左右两侧转子齿的受力也不同,所以此时电机的转矩不为0。
且由于A相磁极距离右侧的转子齿非常近,A相磁极到右侧转子齿的磁路的磁阻小,则磁力线大多从A相磁极出发,经过很小的一段气隙,到达右侧转子齿,不容易产生漏磁。
通过改变励磁电流的大小,可以改变磁感应强度的大小。
通过磁化曲线可以看出,当磁势较小时,磁链与磁势近似呈线性关系,随着磁势的增大,磁链趋于饱和,显示在曲线上就是趋于平缓。
另外,在AutoCAD中作图时,最好一开始就把图的中心定在坐标原点,因为Maxwell分析电机的转矩时,以坐标原点为轴心。
做好图后,应该将图转化成面域,转换成面域后,将选中图形,导出成.sat格式并导入Maxwell。
本次实验中,我对于开关磁阻电机也有了更深刻的认识。
开关磁阻电机的定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成(本实验中,我们选用了DR510-50电工硅钢薄板)。
转子既无绕组也无永磁体,定子极上绕有集中绕组,径向对称的两个绕组联接起来,称为“一相”,本电机为四相8/6极。
虽然相数增多,步距角将小,有利于减少转矩脉动,但相数增多,结构复杂,且主开关器件多,成本高。
因此,现今应用较多的是四相(8/6)结构和三相(12/8)结构。
开关磁阻电机的控制系统由功率变换器、控制器与转子位置检测器四部分组成,其中控制器内包含功率变换器和控制电路。
开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。
而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时,必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
开关磁阻电机的优点有:
结构简单,转子上没有任何形式的绕组,成本低,可用于高速运转。
其次,因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关,即只需单方相绕组电流,故功率电路可以做到每相一个功率开关,使功率电路简单可靠。
此外,从电动机的电磁结构上看,各项绕组和磁路相互独立,各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。
从控制结构上看,各相电路各自给一相绕组供电,一般也是相互独立工作。
在我看来,其最大的优点在于:
起动转矩大,起动电流低,可频繁起停,适用于频繁起停及正反向转换运行,且可控参数多,调速性能好。
但是,开关磁阻电动机最大的缺点是:
有转矩脉动。
从工作原理可知,开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的,由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响,合成转矩不是一个恒定转矩,而有一定的谐波分量,这影响了电动机低速运行性能。