沈工大电磁场仿真永磁同步电机静磁场讲解.docx

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沈工大电磁场仿真永磁同步电机静磁场讲解

沈阳工业大学

工程电磁场理论仿真大作业

题目：

永磁同步电机静磁场分析

姓名：

学号：

完成时间：

2016年10月22日

一、问题描述及仿真软件简介

1.问题描述：

三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。

电机定子内径、外径分别为74mm和120mm，极数4，定子槽数24。

然后求解电机的磁力线与磁通密度分布。

该电机的模型为：

2.仿真软件介绍：

本文使用的仿真软件是AnsysMaxwell16.0。

AnsysMaxwell是业界公认的非常好的电磁场仿真分析软件，可以帮助工程师完成电磁设备与机电设备的三维或者是二维有限元仿真分析，例如，电机、变压器、传感器与线圈等设备的性能分析。

AnsysMaxwell主要是使用有限元算法，可以完成静态、频域以及时域磁场与电场仿真分析。

AnsysMaxwell的最大优势就在于其自动化的分析流程，工程师在实际应用时，只需要指定模型的几何形状，材料属性，以及关键的输出参数，然后，AnsysMaxwell可以自动生成高质量的自适应网格。

上述自适应网格可以把工程师从繁琐的网格划分流程中解脱出来，直面整个分析流程，使整个仿真分析流程简单化。

二、仿真过程描述

1.创建项目：

（1）启动AnsysMaxwell16.0并建立新的项目文件

（2）定义分析类型

首先，执行Project/InsertMaxwell2DDesign命令。

其次，执行Maxwell2D/SolutionType命令，在弹出的求解器对话框中选择Magnetic栏下的EddyCurrent求解器。

（3）重命名及保存项目文件

执行File/Saveas命令，将名称改为pongfang后保存。

2.构建模型：

（1）确定模型单位

执行Modeler/Units命令，选择mm。

并单击Rescaletonewunits命令，然后点OK。

如下图。

（2）绘制电机定子槽几何模型

1　执行Draw/Line命令进行直线绘制如下图

2　在屏幕下方的坐标对话框中分别输入线段的起末点的位置坐标，并选择绝对增量方式，依次输入

第一点（1.25，37.5）

第二点（1.25，38.0）

第三点（2.4，38.5）

第四点（3.4，46.5）

生成电机半槽直线部分模型如图所示：

3　选择已建立的线段，执行命令镜向操作Edit/Duplicate/Mirror，在X轴上选择任意两点以完成另半槽直线部分模型建立，操作如图所示：

4　执行命令弧线绘制命令Draw/Arc/CenterPoint。

然后以（0，46.5）为中心连接（-3.4，46.5）和（3.4，46.5）。

生成的如下图所示：

5　执行命令Edit/Duplicate/AroundAxis，出现沿轴复制属性对话框，在Axis选择沿Z轴复制，相隔15度，进行24次复制。

6　执行弧线绘制命令Draw/Arc/CenterPoint，中心原点选择为（0，0），将各个定子槽之间用圆弧连接，将鼠标置于模型窗口，键盘操作Ctrl+A选择所有物体并执行命令

Modeler/Boolean/Unite，将所有线段连接，其结果模型为

（3）绘制电机绕组几何模型

1　执行Draw/Line命令，分别输入点坐标（2，39）、（3，46.5）以及（-2，39）、（-3，46.5）绘制两条直线，然后执行命令Draw/Arc/CenterPoint，中心原点选择为（0，46.5），以两侧点做标（3，46.5）、（-3，46.5）绘制弧线，并将所有线段闭合连接，执行Modeler/Boolean/Unite操作，合成一体。

结果如下图所示：

2　执行命令Edit/Duplicate/AroundAxis，选择沿Z轴复制，相隔15度，进行24次复制，生成所有槽绕组，槽绕组及单个绕组如图所示：

（4）创建电机定子冲片模型

1　执行命令Modeler/Surface/Coverlines来创建面域。

此时生成的电机定子槽与绕组面相互重叠，执行布尔操作命令Modeler/Boolean/Subtract将两者分开，其操作对话框如下图所示，在BlankParts中选择定子槽，代表减操作，在ToolParts中将24个绕组选择，代表被减操作。

要将[Clonetoolobjectsbeforeoperation]选择框选上。

2　执行Draw/Circle，绘制圆，在模型窗口中选择绝对增量Absolute，圆中心坐标（0，0），X与Y偏移坐标分别为（0，60），由于分析的永磁电机外径为120mm。

同时选择新生成的圆，执行Modeler/Surface/Coverlines命令以生成面域，连续两次执行布尔操作命令Modeler/Boolean/Subtract，第一次在BlankParts中选择Circle1，在ToolParts中选择所有定子绕组面域，单击OK按纽，第二次在BlankParts中选择Circle1，在ToolParts中选择Polyline1定子槽面域，单击OK按纽完成电机定子冲片模型，在两次操作中要将[Clonetoolobjectsbeforeoperation]选择框选上。

具体生成的电机冲片如图：

（5）创建永磁体模型

1　执行Draw/Line命令绘制永磁体直线段模型，分别输入第一条线始末点坐标（-21.91，29.81）和（-18.36，24.98），第二条线始末点坐标（21.91，29.81）和（18.36，24.98）。

执行命令Draw/Arc/CenterPoint，中心原点选择为（0，0），以两条直线段的相应始末点为两侧点绘制弧线，完成第一片磁极模型建立。

2　选择建立的永磁体所有线段，执行命令Modeler/Boolean/Unite，将所有线段连接，再执行命令Modeler/Surface/Coverlines生成永磁体面域。

接下来生成其余三片永磁体模型，选择刚生成的永磁体面域，执行命令Edit/Duplicate/AroundAxis，选择沿Z轴复制，相隔90度，进行4次复制，生成永磁体模型如图所示：

3　以永磁体内圆的八个点为始末点，原点（0，0）为中心执行命令Draw/Arc/CenterPoint，绘制出电机转子轭外圆线段，选择所绘制的八段弧线执行Modeler/Boolean/Unite操作，合成一体，再执行Modeler/Surface/Coverlines生成转子轭面域。

再执行命令Modeler/Boolean/Subtract，在BlankParts中选择定子槽面域，在ToolParts中选择永磁体及转子轭面域，单击OK按纽，完成各个面域之间的分离。

4　创建转轴模型，执行Draw/Circle命令绘制圆，在模型窗口中选择绝对增量Absolute，圆中心坐标（0，0），X与Y偏移坐标分别为（0，13），分析的永磁电机转轴外径为26mm。

选择生成的圆线段，执行Modeler/Surface/Coverlines生成转轴面域，再执行命令Modeler/Boolean/Subtract，在BlankParts中选择转子轭面域，在ToolParts中选择转轴面域，此时[Clonetoolobjectsbeforeoperation]选择框不选，单击OK按纽。

（6）模型显示属性设置

主要包括面域名称及显示颜色两部分。

具体操作，鼠标左键选择需要设置的面域，游键单击，选择Properties选项，则自动弹出属性设置对话框，在此对话框中，对Name与Color两个单元进行操作。

通过属性设置对话框进行设置后，建立的电机几何模型如图所示：

3.材料定义及分配

（1）指定指定气隙Air-gap的材料属性为空气也可以用真空代替。

（2）指定绕组coil的材料属性为铜。

（3）定义定子铁心Stater及转子轭yoke材料属性DW465-50，一种电机常用非线性铁磁材料；

电机定子Stater与转子轭yoke是由DW465-50硅钢片制成，材料库中没有该材料，因此需要用户自己定义，新的材料是非线性的，也就是说，材料的相对磁导率并不是常数，因此需要根据BH曲线加以定义。

下面介绍如何加入新的非线性铁磁材料：

鼠标单击材料管理器下方的Addmaterial按钮，出现新材料编辑对话框materialname对话框中命名为DW465-50；在相对磁导率的类型对话框中选择非线行nonlinear，Value项显示为BHCurve；选择BHCurve进入BH曲线编辑器，在左侧B和H对话框中依次输入DW465-50硅钢片相应的磁通密度与磁场强度值，此处默认为10列，通过选择Addrowbelow按钮添加列数，BH点输入完成后编辑器右方窗口显示输入的BH曲线图形，单击OK按钮，如下图所示：

（4）定义永磁体材料，命名为P_Mag，指定给永磁磁极；

磁极所采用的是永磁材料，材料库中没有，需要建立新的永磁材料——P_Mag。

进入材料管理器，单击Addmaterial按钮，出现新材料编辑对话框，在materialname对话框中命名为P_Mag，在材料编辑对话框下方的选择框中选择PermanentMagnet，将会自动弹出永磁材料定义对话框，如图所示，在矫顽力Hc中输入-947000，单位Amps/Meter，剩余磁感应强度Br中输入1.25，单位为Tesla，点击OK按钮，设置的永磁材料将出现在项目管理菜单。

4.激励源与边界条件定义及加载

（1）加载电流激励源

选择A相四个绕组，执行命令Maxwell2D/Excitations/Assign/Current，将弹出电流激励源设置对话框，在源名称中输入A_P，值Value中输入25，A相由四个绕组组成因此总的A相电流为100安培，单位安培A，参考方向为正方向。

对于B、C相绕组的加载方式与A相绕组加载相同，命名方式相类似，由于三相对称绕组，B、C相分别电流相位分别落后与A相电流相位120度和240度，因此其值为12.5安培。

（2）加载边界条件

应施加磁通平行边界条件即可，选择电机内外圆两条边界，首先执行Edit/Select/Edge命令，选择边界线，再执行命令Maxwell2D/Boundaries/Assign/VectorPotential，此时会自动弹出磁位函数边界设置对话框，在Name框中输入边界条件名称Boundary，参数值设置为0。

5.求解选项参数设定

（1）选择需要计算力及力矩参数的面域，本电机中包含四个磁极及转子轭部分，执行命令Maxwell2D/Parameters/Assign/Force和命令Maxwell2D/Parameters/Assign/Toque，将弹出力及力矩设置对话框，在force中Name命名为Motor_force，在Toque中Name命名为Motor_torque，并且Axis选Global：

Z、点击positive既可。

（2）电感矩阵设置，首先执行命令Maxwell2D/Parameters/Assign/Matrix，将自动弹出矩阵属性设置对话框，名称设置对话框中输入名称L_Matrix，Source选项中选择各相的正绕组，选择Include选择项，在ReturnPath选项中选择每条支路所闭合的负绕组，构成完整的闭合线圈。

回路设置完成后，单击矩阵设置对话框中的PostProcessing按钮，弹出分组设置对话框，由于分析的永磁电机由每相绕组由4个槽绕组构成，因此为分析每相绕组的电感时应将属于同相的绕组进行分组，例如A相绕组由A_P_1、A_P_2、A_P_3、A_P_4组成，因此通过选择此四个绕组，电机Group按钮完成分组，名称设置为A_winding，其它两相操作类似。

（3）网格剖分设置

通过执行命令Maxwell2D/MeshOperations/Assign/Onselection（InsideSelection、SurfaceApproximation）来完成，通过采用基于模型内部单元边长的剖分设置进行模型剖分，在弹出的设置对话框中，名称设置为Length，长度设置为2mm。

（4）求解残差设定

执行命令Maxwell2D/AnalysisSetup/AddSolutionsetup，自动弹出求解设置对话框，主要包括一般设置、收敛设置及求解设置。

在General中的AdaptiveSetup中上面设置为10，下面设置为1。

在Convergence中从上到下设置为10，2，1。

在Solver中的非线性边界设为0.0001。

6.分析自检

有限元分析的模型、载荷、边界，求解项设置均完成后，执行命令Maxwell2D

/Validationcheck，弹出自检对话框，当所有设置正确后，每项前出现对勾提示。

自检正确完成后，执行命令Maxwell2D/Analysisall，启动求解过程。

三、仿真结果

对磁场的分布进行观察：

首先将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A，选择模型窗口中所有物体，执行Maxwell2D/Fields/Fields/Fluxlines命令，在弹出的场图显示设置对话框中设定显示名称，物理量Quantity中选择磁力线分布Fluxlines，选择所有物体allobjects可以图形显示电机等势线分布，如下图所示为电机磁力线分布。

在场图显示设置对话框物理量Quantity中选择磁通密度Mag_B，选择所有物体allobjects可以图形显示电机磁通密度云图分布，如图所示。

通过借助于磁力线分布及磁密云图的分布，可以确定电机内磁场的具体分布，以及各个部分磁场的饱和情况，从而更好的优化电机的结构。

电机的磁力线分布

电机的磁通密度分布