应用MagNet求解PMSM问题操作说明讲解.docx
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应用MagNet求解PMSM问题操作说明讲解
MagNet软件求解PMSM问题的操作说明
海基公司
前言
本说明文件以永磁同步电动机为例，介绍MagNet软件的基本操作步骤。
和一般的有限元CAE软件相类似，对一个项目的分析包括以下步骤。
后处理
1．MagNet界面介绍1
2．PMSM建模4
3．编辑设定材料特性9
4．建立线圈和电路连接11
5．设置边界条件和网格参数15
6．求解和后处理16
7．PMSM静态磁场分析19
8．PMSM齿槽力矩21
9．PMSMEMF分析24
10．PMSM负载瞬态分析25
1.MagNet界面介绍
安装MagNet和相应的License后，可以运行MangNet。
在Windows系统中，点击开始－>程序－>MagNet－>MagNet启动MagNet。
其主要的界面如下。
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1）下拉式菜单
File：
新建、打开、保存文档，输入、输出模型、动画等
Edit：
Undo、Redo，拷贝，粘贴，删除。
各种类型的选择功能等。
Draw：
光标方式，画直线、圆弧、圆等，移动、旋转、镜像等，布尔操作等
Model：
生成实体，对实体进行操作，生成线圈，运动部件等等。
Boundary：
各种边界调节，表面阻抗，簿壁特征等
Circuit：
打开电路窗口，设置电阻、电感、电容、开关、换向器等电路元件，进行连接、移动、对齐等。
Solve：
选择求解器，设定求解参数、时间步长等。
View：
各种视图选项和设定等。
Tools：
动画、脚本工具，场量探针，各种工具条的打开和关闭操作等。
Window：
窗口操作等。
Help：
帮助文件，对应相关操作的脚本等。
2）边界条件
3）运行脚本，VBS格式的文件
4）直线、圆弧分段工具
5）模型视图旋转调节
6）模型视图角度调节
7）移动复制旋转等操作
8）电子元件
9）电子元件的排列
10）项目操作窗口
Object：
对文件中的元件，线圈，电路等操作
Material：
定义，编辑材料库
Coil：
对线圈定义
Problem：
求解问题列表
Field：
显示求解后的各种场量
View：
各种视图参数
11）选取工具
12）画线、圆弧、圆工具
13）后处理窗口
14）建模及显示窗口
15）电路图窗口
16）键盘输入工具
2.建立PMSM模型
本电机模型：
转子4极，烧结NdFeb磁铁，平行冲磁。
考虑对称性，只建立1/4模型。
采用其他CAD软件建立的2D/3D模型可以方便地与MagNet接口。
可导入/导出的文件类型包括：
AutoCAD,SAT,CATIA,PRO/E,IGES,STEP,INVENTOR等。
模型可以以2D模型导入，如AutoCad格式的DXF文件，然后再经过拉伸、旋转等生成3D实体。
模型也可以以3D模型导入，如SAT格式的文件。
在导入后，如果模型中心不在原点上，可以通过移动模型，把中心放在原点上。
模型也可以直接在MagNet里面建立。
基于RasterGraphics技术，通过画线，圆弧，圆或它们的组合，生成封闭区域，再对这个封闭区域做拉伸，旋转等来生成实体。
2D作图是在ConstructionSlice上完成的，默认的ConstructionSlice是XY平面。
当然这个ConstructionSlice可以移动到3D空间的任何地方，再作图和生成实体。
如下图所示，我们在XY平面建立了2D曲线。
用“SelectConstructionSliceSurfaces”选择定子部分。
用“MakeComponentinaLine”生成实体。
弹出对话框，设定参数，如拉伸距离，选择材料，定义实体的名字等。
点击Ok，生成定子铁心实体。
当生成永磁体时，注意要选择相应的冲磁方向。
如下图所示，选择径向指向外的方向。
对于气隙的处理，可以分为4层，外侧2层归为定子部分；内侧2层归为转子部分。
这样可以以气隙的中心线为转动部分的分界线，同时4层设定可以提高求解精度。
对于要考虑漏磁的模型，一般要在定子外侧设定空气AirBox。
因此，完整的模型如下图。
3.编辑设定材料特性
为了正确的分析电磁场和热问题，Infolytica把所有材料的属性设定为温度的函数，或者温度和频率的函数。
MagNet的材料库在不同系统之间可灵活转换，用户可以输入已有的模型材料库，并对已定义的材料进行更新。
用户通过材料模板可以对所使用的材料属性进行创建和编辑。
在给用户提供尽可能多的用户向导的基础上，材料模型大大简化了材料的创建过程。
材料库列出了所有可以应用到模型中的材料。
当用户在某个部件中使用某一个材料时，该材料的备份会保存在部件中，使得部件的描述更完整。
因此，将单独一个部件的文件发送给相关同事时，不需要将整个材料库发送给对方。
低频材料库包括了65种预定义的材料。
用户定义材料库中包括了用户创建和修改的材料。
下图所示为Material页。
其中1为系统自带的材料库。
2为用户自定义的材料库。
3为本模型中使用的1和2中的材料。
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比如硅钢片50W350为自己新创建的。
在“UserDefineMaterials”点击鼠标右键，出现“NewUsersMaterial”，点击它打开材料定义模板。
依次选择和输入相关参数，来完成定义。
如BH曲线，损耗曲线。
对于具有线性退磁曲线的粘接NdFeB来说，只需要定义相对磁导率和矫顽力。
4.建立线圈和电路连接
选择一个或多个实体，并点击“model－》MakeSimpleCoil”可以生成线圈。
如下图所示。
其中规定的电流方向能够在窗口中显示出来，当然，这个方向可以更改。
流出纸面
流入纸面
可以定义编辑线圈特性，如名字，匝数，电流正方向，截面积，电压激励或电流激励等。
把所有的线圈都定义好后，如有必要外接驱动电路，可以打开“Circuit－》NewCircuitWindow”
在电路窗口建立设备的驱动电路，并将电路与所分析的模型相连。
本例中三相绕组Y型连接。
同时连接三相电压源，可以设定电压源参数，如幅值，相位等等。
对于同步电机，要注意电压源相角和EMF的相位关系，在本例中，为了使电压源V1和绕组1（即A相）相位保持一致，事先在Motion特性中设定初始相角为-7.5度。
初始速度
初始角度
对于有运动部件的模型，比如电机的转子，要设定“motion”特性。
在Object窗口中选择参与运动的实体，再点击“Model－》MakeMotionComponent”生成“Motion＃1”。
可以编辑运动部件的参数，如负载驱动/速度驱动、旋转运动/直线运动、负载大小、设定质量或转动惯量等参数。
5.设定边界条件和网格参数
边界条件定义了在边界和未求解区域的场分布情况。
默认的一元边界条件是磁力线平行于边界。
对于部分建模的电机，比如只求解一个极或两个极，则要定义二元边界条件：
奇对称（OddPeriodicBoundary）或偶对称（EvenPeriodicBoundary）边界条件。
未提高求解精度和速度，对不同的实体，设定不同的网格大小。
一般气隙设小一点。
另外还可以设定直线，圆弧分段来控制网格数，或者设定曲率大小来控制网格数。
如下图设定了转子网格大小。
6.求解和后处理
对不同问题，选择合适的求解器。
如2D或3D、静态或动态。
还要设定求解参数。
对于瞬态求解器，还要设定时间步长等。
求解后，可以在“Field”窗口显示各种场量。
如磁力线和磁密分布。
所显示的场量数据是可以通过“ProbeField”工具来提取。
如气隙磁密分布曲线和数据。
对于时间谐振、瞬态和参数化求解的结果，还可以生成动画。
打开“PostProcessingBar”，可以得到更多的量。
如磁场储能，力和力矩，电流，电压，损耗，速度，加速度，位置等等。
并能输出数据和曲线。
如速度曲线。
7.PMSM静态磁场分析
“Static2D”求解器可以用来观察永磁极产生的磁场分布情况。
这时，可以不用连接复杂的电路。
求解后，可以观察各种场量，如磁力线等位线分布图（左图）。
右图是气隙中的磁链曲线。
也可以用VBS工具生成整个电机的场量图。
磁感应密度B的分布云图（左图）和气隙中曲线（右图）。
磁感应密度B的分布矢量图。
8．PMSM齿槽力矩
MagNet有强大的参数化能力。
所谓参数化，就是定义一组参数（参数可以是模型尺寸，材料特性，外加激励等等），求解器把所有的工况连续计算出结果，并可以生成相应的曲线来比较。
比如本例中要计算齿槽力矩，可以定义转子部分的旋转角度参数，每个角度值计算一次。
在Object窗口右键点击文件名，选择“Properties”。
在“Parameters”页面中定义参数“myangle”，并定义角度0º～30º，间隔1º，即要计算31个工况。
把myangle赋给相应实体中的“RotationAngle”。
求解后可以在PostProcessing工具中查看齿槽力矩的大小。
可以看出4极6齿无刷电机的齿槽力矩周期是30度机械角度。
后处理
曲线
数据
如果模型中没有感应涡流的元件，也可以让绕组开路，设定一个较低的旋转速度，旋转得到齿槽力矩。
本例中就是用的这种方法。
9．PMSMback-EMF分析
当我们需要观察EMF时，可以设定同步速，本例中是9000deg/s（=1500rpm）。
用2DTransientwithmotion求解器得到结果。
10．PMSM负载瞬态分析
设定负载力矩为0.2Nm。
负载可以是常数，也可以是随时间，速度，位置变化的函数等等。
电磁力矩曲线和速度结果。
也可以得到其它很多数据和曲线。
还可以生成导出动画。
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