FEM-ACAD上机实验.doc

FEM-ACAD上机实验.doc

《FEM-ACAD上机实验.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FEM-ACAD上机实验.doc（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

有限元及ACAD上机实验

（电气级）

一、最低软件环境

WindowsXP及以上

AnsoftMaxwell、AutoCAD

MicrosoftOffice

二、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

u假设为单位电机（轴向长度1m，每相绕组匝数1匝）。

u6/4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。

u冲片材料DR510-50。

u尺寸单位：

mm。

uSRMx-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。

u绕组未给尺寸，可以近似绘制。

三、基本要求

1、提交AutoCAD图。

2、求给定位置磁化曲线，磁链=f（磁势），曲线至少由四个数据点组成；求解磁场分布、气隙磁场波形等。

3、请写出详细实验报告（格式参见附录），并打印上交。

4、提交实验报告电子版、有限元工程文件（不需要包括结果）和AutoCAD文件，请打包压缩成一个文档，以学号+姓名为文件名，上传至FTP。

5、时间期限：

考试3周前上交。

实验名称

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

u假设为单位电机（轴向长度1m，每相绕组匝数1匝）。

u6/4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。

u冲片材料DR510-50。

u尺寸单位：

mm。

uSRMx-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。

u绕组未给尺寸，可以近似绘制。

二.环境

Windous10系统、autoCAD2010、ANSOFTMaxwell15.0（32-bit）

三.实验数据、结果分析

1.AutoCAD建模

（1）首先绘制6个圆，圆心在原点（0,0）处，直径分别为26、47、64、64.5、100、120。

（2）然后根据转子的示意图以及尺寸标注，利用直线功能固定角度以及长度，画出电枢的大致图像，这里画直线的时候可以将长度延长，之后用修剪的功能将多余部分减去即可。

（3）根据直尺以及半圆仪测量，可以大致得出每一圈励磁绕组的大致位置，利用绘制矩形功能首先确定一个矩形的位置，然后根据镜像、旋转等功能，完成完整的电机图形的建模工作。

具体建模图形如下图所示：

2.导入ANSOFTMaxwell

（1）图形转化为面域：

在绘制完整的CAD图形工作完成之后，图形每一个部分都是分开的曲线或线段。

此时点击“绘图”中的“面域功能”，全选模型，按回车键，将所绘制的模型转换为面域。

通过鼠标移动、删除、Undo来检查模型的正确性。

（2）输出sat文件：

点击文件里的输出，并找到sat格式，输出保存到电脑。

（3）打开Maxwell，点击Project里面的InsertMaxwell2DDesign，新建一个Project，然后点击Modeler里面的Import，找到输出的sat文件，即可输入有限元模型。

3.分析前Maxwell处理

（1）将相同颜色的面域合并在一起，对面域命名，并且上色。

多选面域的时候，按住ctrl键，选中之后点击菜单栏的Modeler——boolean——Unite，即可合并为一个面域。

（2）建立冲片材料的B-H曲线

先用记事本将磁化曲线的数据输进去，保存为.bh格式

鼠标右键点击Materials，选择EditLibrary，打开材料库，点击AddMaterial

在相对磁导率类型下拉列表选择“Nonclear”，然后点击Value当中的“B-Hcurve”按钮

点击ImportDataset，将.bh文件打开，观察曲线如果没有问题，点击OK确定。

将材料名称改为DR510-50。

点击“ValidateMaterial”验证，点击“OK”保存，完成冲片材料的建立。

（3）施加材料

选中面域，右键点击添加材料“AssignMaterial”，最终结果如下图所示：

（4）施加边界条件

将下图中的选择模式从Object改为Edge，然后选中最外层极联颚外边，右击，在弹出的菜单中选择AssignBoundary——VectorPotential，施加第一类边界调节A=0

（5）添加励磁

将选择模式还原为“Object”，然后选中需要添加励磁的绕组，右键，选择AssignExcitation——Current，定义垂直直面向外为负，垂直纸面向里为正。

如下图所示：

由于四相绕组的励磁情况相同，所以先暂定其他绕组的励磁电流均为0，只研究A相绕组增加励磁时的情况

（6）设置求解参数——转矩计算

选中转子的面域，右击parameters并选中Torque，点击“OK”即可。

（7）设置求解参数——电感计算

选中线圈，右击parameters并选中Matrix，设置电流进出方向如下图所示，每个线圈要设置为一进一出。

（8）设置剖分参数：

此处不需要手动设置，软件已经可以自动将模型剖分

（9）设置求解参数

右击“Analysis”，然后选择“AddSolutionSetup”，新建一个求解，然后将收敛误差减小到0.5，再按“Enter键”，就可以创建一个分析。

需要注意的是，改变完收敛误差参数后，选项框并没有选项可以让你确定创立分析，这时只能按“Enter”键来实现创立。

（10）在模型中画一个直线、圆弧或者圆，在以后的分析中将会用到。

（11）右击Setup2，选择Analyze，求解模型

4.分析后Maxwell处理

（1）查看剖分图

全选整个模型，右键FieldOverlays，然后选中PlotMesh，点击“Done”选项即可。

（2）查看磁力线分布图

全选整个模型，右键FieldOverlays——A——Flux_lines，然后设置如下

如果磁力线太稀疏，可以右键A，选择“ModifyAttributes”选择“Scale”，将线段改为40段，点击“Saveasdefault”，然后点击Apply。

（3）查看磁密分布图

全选整个模型，右击FieldOverlays——B——Mab_B，如下图所示

（4）查看磁密曲线

右击results——createfieldsreport——rectangularplot，在选项卡中的Geometry选择创建的线段、圆弧或圆，Category选择calculatorexpressions，Quantity选择Mag_B，Function中选择none，然后点击newreport，显示出沿着圆弧的气隙磁密分布图。

（5）查看气隙磁场波形

点击菜单栏中Maxwell2D——Fields——Calculator，然后出现下面的选项框

在Quantity中选择B，在UnitVec中选择Normal，点击Dot点运算，点击Add取名保存变量，例如BB，之后与查看气隙磁密步骤相同，只不过将Mag_B改为BB。

（6）查看计算转矩、磁链和电感

鼠标右击Analysis的Setup，在弹出的菜单选择“Solutions”，即可查看当前方案的计算结果

（7）查看磁化曲线

右击励磁绕组，点击Properties，然后将励磁绕组电流数值改为参数ff。

右击Optimetrics，选择add，选中parametric

点击Add，填写起始值和最终值，然后点击add。

点击“OK后”，选择“option”，将SaveFieldsandMesh勾选上，然后单击确定。

右键ParametricSetup1，选择Analyze，等待软件运算完成（时间较长）

右击results——CreateMagnetostaticReport——RectangularPlot。

将PrimarySweep改为ff，Category选择MagFlux，Quantity选择Matrix1.Magflux（Ain），Function选择none，点击newreport，即可生成磁化曲线。

（8）参数化分析不同转子位置的转矩

选中转子，然后点击上方菜单edit——arrange——Rotate

将90rad改为变量名angle1，点击OK

之后的步骤与求取磁化电流的方法相同。

四.实验结果分析

1.剖分图

可以看出，在励磁绕组的定转子齿部，剖分线较为密集，密度较大，在其他无励磁绕组以及定转子鄂部中定转子剖分密度较小，磁场分布较为均匀，并且剖分线由里向外逐渐从密集转为稀疏。

2.磁力线分布图

磁力线分布图中显示出磁力线是从一段定子齿部开始触犯，通过气隙到达转子齿，然后沿着弯曲的转子鄂部到达另一极下的转子齿，然后继续通过气隙到达另一极的定子齿，最后磁力线沿着定子鄂回到了原来的定子齿部。

磁力线穿过气隙的过程中均是按照最短路径穿过气隙的，磁力线颜色较为红色的为磁力线比较强的地方，蓝色则为磁力线较为弱的地方，所以可以看出，磁力线在定子鄂部和转子鄂部传递过程中，由里向外渐渐减弱，越靠近磁极的地方磁力线越强。

3.磁密分布图

上图为磁密分布图，可以看出没有加励磁的绕组上的磁密非常小，有励磁的两端的磁密较多，并且在定子齿地段和转子齿顶端的连接处达到最大。

通过磁密分布图与磁力线分布图的对比可以看出，磁力线较强的地方磁密分布也很密集，磁力线弱的地方磁密分布很稀疏。

4.气隙磁密曲线

磁场最大的地方是在气隙处，由于气隙存在一定长度，所以最大值在曲线内有一段存在空间。

最大励磁大约在1.16T左右。

5.气隙磁场波形

定子齿和转子齿交接的地方气隙磁场达到最大，其他部分磁场部分几乎为零。

6.转矩、磁链、电感计算结果

转矩：

电感

磁链

7.磁化曲线

从磁化曲线可以看出，大约在16500安匝时，磁化曲线由线性改为非线性，但是励磁电流给定较小，所以可以看出此时的励磁并没有达到饱和状态

五.提高

1.不同转子位置上的转矩变化

由上图可以得到，当角度为-12°即定子与转子恰好正对上时，转矩为零；按照理想情况来说，在3°时应该达到最大，在18°应该达到0，变化曲线基本按照正弦曲线来变化，但是由于励磁谐波的存在以及气隙与材料不完全理想的情况下，转矩初始状态上升较快，在-10°的时候已经基本达到了最大值，在12°的时候转矩为0。

然后将该图像根据（18,0）做旋转变换应该就是另一个30°过程中的转矩变化

2.不同边界条件下对磁场的影响

边界条件对磁密的影响如上图所示，边界条件从0到5增大的过程中，磁场强度从0.1345降低到0.1335，说明外界条件对磁场变化的影响并不是很大，也有可能是边界给定的变化较小，此处仍可以继续深入研究下去

3.不同励磁电流下剖分图、磁力线、磁密的对比（4000A、8000A、16000A）

（1）剖分图

对比三张图可以得知，励磁电流对于剖分图的分布来说并没有影响。

（2）磁力线分布图

励磁电流对磁力线分布的影响就是漏磁通有所加强，在定子各个齿部的迂回通道来说越来越长，颜色代表着大小，变化不明显。

（3）磁密分布图

对比三张图可以得到，磁密强度随着励磁电流的变化越来越大，主磁路的磁密变化颜色有明显加深的现象。

说明磁密变化和电流变化正相关。

（4）气隙磁密分布图

通过三张气隙磁密对比，可以得知，最小气隙处仍然是各个点最大的地方，最大的磁场强度随着电流的增大而增大，但是增大的幅度并不是按照线性进行增大的，励磁电流为4000A时磁密为2T，8000A时为2.1T，16000A时为2.23T。

所以我猜测，最大磁密有可能和励磁电流的平方有线性而非正比例关系。

六.总结

1.AutoCAD的主要难点在于绘制图形时尺寸的应用。

比如说画出电枢上的齿部，我们用的方法是用直线来切割圆，然后再用裁剪的方法将多余部分剪切掉。

一般做直线都是两点确定一条直线，而电机的齿部尺寸只有起点和角度，所以以前的方法行不通，因为无法计算测得直线的具体尺寸，如果减少将无法构成密闭图形。

所以，我就在网上查找到用角度画直线以及切割直线、曲线的方法，将直线延长后切割直线与圆弧，就可以将电枢的齿部完整的滑下来。

2.对于Maxwell环境，主要难点就是掌握建立与添加磁钢、冲片材料，施加边界条件、激磁和求解参数以及后续查看剖分图、磁力线、磁密分布和气隙磁场的步骤。

这些步骤看似非常难，实际上等到掌握之后，在做每一次仿真的速度也会大大加快。

效率也会升高。

3.之前最困惑我的一点就是转子和定子的面域全都是一大整块，并不是我想象当中的定子去掉气隙之后留下来的磁钢，后来通过与同学探讨发现，面域只是把一堆封闭的、零散的多段折现合并成一条曲线，所以通过sat文件转换到Maxwell之后的面域也一定包括原点，但是对仿真并无大碍。

4.通过本次实验，让我了解了AutoCAD和Maxwell两个软件的应用，配合查阅资料以及与同学、与老师之间的探讨，让我对电机有限元仿真过程有了初步的印象，在今后学习上如果需要分析一个电机的特性，相信这一段经历会派上用场的。