基于Maxwell的损耗的有限元计算.docx
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基于Maxwell的损耗的有限元计算
损耗的有限元计算
2013.09.28
L求解模型的设置规定
1.1.模型
用于ansoft求解的模型尺寸应优先参考图纸模型尺寸，没有图纸的，可参考计算单的模型尺寸。
为了统一计算模型，将统一整理所要计算样机的模型。
1」」关于导入Autocad模型的儿点注意：
（1）在Autocad中建立模型时，将模型的圆心设定在原点（0,0）处，以便在导入ansoft后模型的圆心也在原点，从而满足Global坐标系的要求，方便讣算。
（2）在保存Autocad模型时，其图形格式应为2010版本以下的dxf格式。
文件类型0）：
2007/LT2007DXF（*.dx£）
AWoCAD2Q10图形（匕號写
AutoCAD2007/LT2007圍彭
AutoCAD2004/LT2004園形
AutoCAD2000/LT2000團形
AutoCADR14/LT98/LT9T
A-utoCAD图开纟:
乎；隹（*.dws）
AutoCAD圄形库」
AutoCAD2010DXF（*.dxf）
Amb：
.CAIi20iJ7/LT2riiJ7DXF导.dx£）
AmtoCAIi2000/LT2000DXF1>.-ixf）
AutoCADR12/LT2DXJ（*.dxf）
（3）在Autocad中整理模型时，尽量不在原来的图纸中整理，最好新建一个专门用于ansoft整理模型的图纸，这个图纸无需新建图层，只在原有默认的图层上整理模型即可。
这样就避免了导入模型时出现多个图层，并且弄不清楚模型
是在哪个图层中绘制的。
（4）在定义材料属性时，应考虑温度对材料属性的影响。
特别是对绕组电导率和对永磁体性能的影响，计算单中给出的为20°C时永磁体性能，应参照式
（1）对不同温度下的永磁体性能进行折算后再定义永磁体属性。
永磁体的电导率为6.944x105S/nio
K=[1+代-20）熬（1-蛊）Ba（]）
1%=[1+20）劉（1-益）盅20
（5）Motionsetup中初始位置角设定的原则为，为了将转子D轴与定子A相轴线重合，转子在0时刻所需旋转的机械角度。
1.2.边界
Ansoft模型建立时，通常在模型上覆盖一层真空层，也叫做外包，这个空气
外包的尺寸建议为模型尺寸的1.5倍（2D模型），对于3D模型不用如此。
为了简化讣算时间，经常采用单元电机下的周期模型来等效电机全模型，这就需要对单元电机模型添加主从边界条件。
关于主从边界的设定原则：
（1）主从边界的参考方向必须一致（山圆心向外），如图所示。
（2）对于主从边界处相对于参考方向的磁通方向一致的模型，应采用正对
称，也就是Bs=Bm,如图所示。
P»r
flasUr
匕心lioa:
Vaevwsedirect:
•
>/seJefwlts
SlaveBoundary
（3）对于主从边界处相对于参考方向的磁通方向相反的模型，应采用反对称,
13激励
（1）理想空载：
0电流激励。
（2）正弦电流激励：
釆用正弦电流波形（sin）,且将内功率因数角添加到正弦电源中用以等效实际运行丄况的转矩角。
（3）PWM供电：
推荐使用PWM调制出的电流波形，仍需考虑转矩角所对
应的时间步长。
PWM供电时应考虑是损耗有时间谐波所引起的铁心损耗、永磁体涡流损耗、绕组端部漏磁场在周围金属结构件中的损耗、绕组附加铜耗。
（4）电机试验测得电流波形：
将波形数据通过周期函数的形式输入到ansoft中。
1.4.剖分
在使用Maxwell2D求解模型时，推荐使用静磁场导入网格，这样就可以在保证网格质量的前提下进行瞬态讣算。
下面提出导入网格的儿点注意事项：
（1）静磁场和瞬态场的模型必须完全一致。
包括瞬态场中的band域、region域等等。
所以建议在瞬态场中将模型建立完后，复制一个到静磁场再进行网格的求解。
（2）为了保证导入到瞬态场的网格为高质量的网格，在静磁场求解中应对网
格的质量进行限定。
这部分可通过对求解误差与叠加网格白分比来实现，如图所示。
SolveSetup
General||Impress:
onCacho|Solver
ijveSetup
Mo:
:
n-artNuibftrofFa：
"
PercentErro）
厂Sol<7*FioLduOx
Solv«Watrui*After“utp
COnlyaftftreonv&rg
SolveSetup
GeneralConvex*|Ezpressica.Cache|SoLzcr:
IlcEa'xLts|£tondard
RefinenentTf?
rPass:
Miz.in-antknb^ro£Pa:
:
a:
[2
MininunConvergedFasses『
（3）如果对静磁场分析出的网格仍不满意，还可通过手动剖分人为对部分网
格进行加密，如图所示。
ElementLengthBasedRefinement
LengthofElements
Re$trictLengthofElements0
MaximumLengthofElements:
mm
NumberofElements
RestricttheNumberofElements
MaximumNumberofElements:
|1000
OK|Cancel
（4）网格导入过程如图所示。
1.5.求解设置
求解步长的原则是求解每个求解周期至少用20个点去等效，这部分会根据不
同情况分别讲述。
2・铁心损耗的设置与后处理
2.1.设置铁耗效应，如图所示。
SetCoreLoss
Goiter*1Advanced|
Usecheckboxestoturnon/offcorelosssettings.Pleasenotethesettingwillonlytakeeffectiftheobjecthasac^rrespendingcorelossinth«e
Object
CoreLossSwtting
Defirkedinerisd.
stator
—
F
F
rotor
F
F
PM_4
C
PM_3
□
*p_3
r
IH
SelectByName...DeselectAll
確走1取消
2.2.齿、辘部分开计算
模型处理上，齿部、辘部分开建立；铁耗效应上，分别设置，即计•算辘部时
23磁滞、涡流损耗分开计算
修改材料，计算磁滞损耗时将涡流损耗系数Kc给0：
讣算涡流损耗时将磁滞损耗系数Kh给0。
仪View/EditMaterial
”涸iWNawMateralCoordinateSp$temType:
|DW27D-35Cartesian刁
ICalculatePropertiesfor:
▼|
Reset|OK—|Cancel
2.4.求解时间与计算时间步长
计算时间应取5个以上的电周期，计算步长可以设定为每个电周期内20个点。
例如，电机额定频率为300Hz,那么计算时间应N5/300S,计算步长应so特别应该注意的是这里只考虑到基波，那么计及n次谐波的讣算时间和计算步长应分别＞5/（3OO*n）s和s。
损耗值取曲线稳定后段的平均值。
3・永磁体涡流损耗的设置与后处理
为了汁及永磁体的轴向涡流，应建立三维有限元模型计算永磁体的涡流损耗,且可以得出永磁体涡流损耗的分布情况。
3.1.三维模型的建立
可以直接通过Maxwell2D的模型给轴向伸长量去建立，也可以通过导入
solidworks的三维模型。
3.2.剖分设置
山于三维模型网格数量和计算时间是成正比的，因此，应在保证求解质量的前提下尽量减少网格的数量。
采取的方法是对于求解涡流损耗效应的永磁体采用
表面透入深度剖分方法对永磁体进行剖分，如图所示。
|Motwdl3厅Too”WindowHelp
Solutic^Ixpe..
QLiit«
羽yalidadoftCheck...
A>ArolyzoAl
J3Editdotes.
3DModalEditor
I•
）ObjectTempe*jure..
Qo口护fottngs..
htadelfiounchnestMOUtionSDgmotE
OperaboM
AgHrI?
Analjiii
Field.
fieiuks
Gow2DDesign..
&poDesignDaU«*«■...
I«aP'%SS®.伞a®Q口l«5e聲砂再
"3丽3!
Ii04o?
i；乂J51|bi■
具体剖分设置步骤:
（1）计算透入深度：
按下图所示计算的为20次谐波的透入深度（基波频率
为300Hz）。
（2）设置剖分层数：
按下图将讣算得出的透入深度的情况下设置细剖层数与
每层网格最小边长，最后取消网格个数限制。
（3）Maxwell3D网格之间的相互匹配非常复杂，很容易出现错误。
因此,
如果使用上述剖分方式报错无法运行，可将永磁体整体的剖分网格最小边长设置为透入深度的1/2,但这么做计算时间也会相应增加。
3.3.求解设置
常规设置参见第一部分，针对永磁体涡流损耗的求解，主要注意以下儿点设置：
（1）在永磁体表面添加绝缘边界用以保证模型求解时永磁体内感生的涡流只沿永磁体内部区域闭合。
（2）对永磁体设置涡流效应，如图所示。
SetEddyEffect
U$echedOoK備totjnon/ofled（beffectsaiinos.Usesujjestedvalues
OtjectEd戈iEf&t
DI
PM」
PM.2
PM_3
PM4
PM5
PM6
—
PM_7
SelectByName...
OK|Cancel
3.4.求解时间与计算时间步长参见2.4节进行设置。
需注意的是永磁体涡流损耗曲于采Maxwell3D进行求解，求解时间相对Maxwell2D增加很多。
因此，无需规定求解的具体周期数，以永磁体涡流损耗曲线稳定为准。
永磁体涡流损耗值仍取稳定后损耗曲线的平均值。
3.5.特别注意:
采用PWM波形供电时，计算时间与计算步长应与PWM波形数据的时间点对应，即PWM波形中包含的时间点在求解步长设置中才可以用，否则不能取到PWM波形的点，模型无法计算。
4.金属结构件中涡流损耗的设置与后处理
金属结构件中的损耗主要有两个方面，一部分是永磁体端部漏磁引起的，另一部分是山绕组端部漏磁引起的，因此在模型建立的时候要考虑这两个方面建立完整的求解模型。
注意事项:
（1）
绕组端部可采用Maxwell3D的UDP进行绘制，如图所示。
机壳、端盖、挡板等材料属性应参考Autocad图纸中定义的材料属性。
（4）电机中需要考虑的金属结构件包括转子挡板、定子扣片、机壳、端盖。
（5）为了简化il•算，在计算金属结构件中的损耗时，可仅保留电机前端和后
端部，并不需要考虑铁心中间位置，如图所示。
（rdj0\0
I"JI01002Hinmi
（6）将所需计算涡流损耗的金属结构件设置涡流效应，同3.3,如图所示。
（7）求解时间步长参见3・4设置。
5・模型建立时应特别注意
广州数控的2・lkW、4・2kW、6・9kW、9・42kW、11.94kW电机，转子采用错极结构；7.5kW电动汽车用永磁伺服电动机与llkW高效电机，定子都采用斜槽结构。
山于Maxwell2D中不能计算定子斜槽和转子错极，因此，有必要在讣算损耗
的时候建立考虑斜槽与错极的三维电机模型对铁耗进行核算。
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