基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例.docx

1、基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例4.2.1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，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解， 问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。该电机的模型示意图如图 4-1 所示。图 4-1 4 极 24 槽永磁电机结构示意图通过本问题的分析，读者可以学习掌握 Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材

2、料的定义及简单的场图处理。Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下：1创建项目及定义分析类型2建立几何模型3定义及分配材料4定义及加载激励源和边界条件5求解参数设定6后处理4.2.2创建项目Step1. 启动 Ansoft 并建立新的项目文件假设用户计算机已经安装了 Microsoft 公司的 Windows 操作系统和 Ansoft 公式的 12版本 Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的 Maxwell 12 图以启动Maxwell，启动后的 Maxwell 12 其界面如图 4-2 所示。图 4-2 Maxwell 12 启动初始界面执行 File/New/

3、命令，或者单击工具栏上 按钮新建一个项目文件如图 4-3 所示。图 4-3 添加新项目界面Step2. 重命名及保存项目文件在项目管理窗口中右键单击项目名称选择 Rename 命令，输入 PMSM-Magstatic 对项目文件进行重命名，如图 4-4，单击工具栏上 按钮保存此项目文件,在项目文件保存目录4中就会出现如 PMSM-Magstatic.mxwl 项目文件，图 4-5 所示。图 4-4 项目文件重命名界面图 4-5 项目保存目录对话框Step3. 定义分析类型采用二维静磁场求解器对永磁同步电动机进行磁场分析，求解器选择步骤如下：执行 Project/Insert Maxwell 2

4、D Design 命令，或者单击工具栏上 按钮建立 maxwell2D 设计分析类型，如图 4-6 所示。5图 4-6 建立分析类型界面执行 Tools/Options/Maxwell 2D options 命令，进行 maxwell 2D 求解器类型选择，在求解器选择下拉菜单中选择 Magnetostatic 求解器，坐标平面选择 XY 坐标系统，如图 4-7 所示。图 4-7 求解器类型选择对话框4.2.3构建几何模型Step1. 确定模型单位在前面的求解器类型设置中已经设置了该问题分析系统的全局坐标平面为 XY 坐标系统，因此，在进行几何模型建立之前的唯一准备工作为确定几何模型的单位系统

5、，执行Modeler/Units 命令，进行几何模型单位选择，如图 4-8 所示，列表中有多个单位可供选择， 即千米：km 米：meters 厘米：cm 毫米：mm 微米：microns6纳米：nm 码：yard 英尺：feet 英寸：inches 英里：mils列表中的单位默认为 mm，当选择新的单位时，鼠标左键单击要选择的单位并执行/Rescale to new units/命令，将模型窗口的单位转为所要选择的单位。图 4-8 几何模型单位设置界面Step2. 绘制电机定子槽几何模型Ansoft 模型建立一般采用自下而上的方式，以点线面逐步进行模型生成，Maxwell 提供了必要的几何模型

6、生成工具，如线与面生成命令等，另外在模型每步建立过程中，在加以必要的操作，进而生成复杂模型。1执行 Draw/Line 命令或者单击工具栏上 按钮，鼠标光标变为黑点，进行直线绘 制，如图 4-9。图 4-9 直线绘制操作72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）最后一个点输入完成后，双击两次 Enter 键以结束直线段绘制，在坐标位置点输入时， 应确保鼠标在模型绘制窗口不进行任何操作，或者保证鼠标指针不位于模型绘制窗口，以免产生

7、误操作，其界面如图 4-10 所示。图 4-10 直线绘制坐标输入生成电机半槽直线部分模型如图 4-11。8图 4-11 电机半槽直线段模型另外，对于线段起末坐标点位置可通过模型控制窗口进行操作，选择要编辑的线段名称，单击该线段，在特性窗口中将出现此线段的特性对话框，在此对话框内可对该线段进行修改操作，如图 4-12。图 4-12 模型特性对话框3选择已建立的线段，执行命令 镜向操作 Edit/Duplicate/Mirror，在 X 轴上(在此强调版本 12，区别与以前版本，以往版本对称应选择在 Y 轴上)选择任意两点以完成另半槽直线部分模型建立，如图 4-13。9图 4-13 模型复制操作

8、对话框4执行命令弧线绘制命令 Draw/Arc/Center Point 或者单击工具栏上 按钮，以下坐 标位置点完成定子槽底弧线部分模型建立，具体操作及定字槽模型如图 4-14。中心 (0, 46.5)左侧 (-3.4, 46.5)右侧 (3.4, 46.5)图 4-14 槽底弧线及定子槽模型图5执行命令Edit/Duplicate/Around Axis，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，如图 4-15 所示。图 4-15 定子槽复制对话框执行弧线绘制命令 Draw/Arc/Center Point，中心原点选择为（0,0），将各个

9、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，其操作及模型如图 4-16 所示。Step3. 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/Center Point，中心原点选择为（0,0），以两侧点做10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。图

10、4-16 布尔连接操作生成电机定子槽2 执行命令Edit/Duplicate/Around Axis，选择沿 Z 轴复制，相隔 15 度，进行 24 次复制，生成所有槽绕组，槽绕组如图 4-17 所示。图 4-17 定子槽绕组模型Step4. 创建电机定子冲片模型1由于Ansoft 软件最后是对面进行操作，因此需要将建立的定子槽与绕组创建为面域， 此过程通过执行命令 Modeler/Surface/Cover lines 来完成，如图 4-18。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/Substract 将两者分开，其操作对11话框如图 4-19

11、 所示，在 Blank Parts 中选择定子槽，代表减操作，在 Tool Parts 中将 24 个绕组选择，代表被减操作，其选择可通和来实现。注意在此处操作时一定要将Clone tool objects before substracting选择框选上，以保留布尔操作后电机绕组模型。图 4-18 面域生成操作图 4-19 减布尔操作对话框2执行 Draw/Circle 命令或者单击工具栏上 按钮，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。3选择新生成的圆，执行 Modeler/Su

12、rface/Cover lines 命令以生成面域，连续两次执行布尔操作命令 Modeler/Boolean/Substract，第一次在 Blank Parts 中选择 Circle1，在 Tool Parts中选择所有定子绕组面域，单击 ok 按纽, 第二次在 Blank Parts 中选择 Circle1，在 Tool Parts中选择 Polyline1 定子槽面域，单击 ok 按纽完成电机定子冲片模型,注意两次操作一定将Clone tool objects before substracting选择框选上，且操作顺序依次进行，如果顺序错误， 则通过第一次操作所生成的面域不再连续，因此

13、无法继续完成下面操作。具体生成的电机冲片如图 4-2012图 4-20 电机定子冲片模型4由于 Asoft 软件默认显示为 15 度，因此所建立模型的弧线部分并不光滑，因此，执行命令 View/Visualization Settings，出现显示设置对话框，将 Maximum Normal Deviation 设置为 1 度，然后点击 Apply 按纽，如图 4-21 所示。图 4-21 显示设置对话框Step5. 创建永磁体模型1为更清晰的表示永磁体的建立过程，将电机定子槽部分的面域显示设置为隐藏，具体操作为选择该面域，将屏幕左侧中部的属性对话框中的 Display 选项进行选择，如图 4

14、-22 所示。2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/Center Point，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13绘制弧线，完成第一片磁极模型建立。图 4-22 面域属性设置对话框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/Cover lines 生成永磁体面域。接下来

15、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/Around Axis，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 4-23 所示。图 4-23 永磁体模型Step6. 创建转子轭模型以永磁体内圆的八个点 A、B、C、D、E、F、G、H，为始末点，原点(0,0)为中心执行命令 Draw/Arc/Center Point，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/Cover lines 生成转子轭面域。由于此时，永磁体及转子轭

16、面域与定子槽的面域相互重叠，因此执行命令Modeler/Boolean/Substract，在 Blank Parts 中选择定子槽面域，在 Tool Parts 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。Step7. 创建转轴模型14行 Draw/Circle 命令或者单击工具栏上 按钮，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/Cover lines 生成转轴面域，再执行命令Modeler/Boolea

17、n/Substract，在 Blank Parts 中选择转子轭面域，在 Tool Parts 中选择转轴面域，此时Clone tool objects before substracting选择框不选，单击 ok 按纽。Step8. 模型显示属性设置至此整个永磁同步电动机的几何模型已经建立完毕，由于在模型建立期间，各部分面域的名称及显示均采用的系统默认值，因此，模型直观性较差，因此需要用户对各个部分重新进行属性设置，其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 C

18、olor 两个单元进行操作，以定子铁心为例，如图 4-24 所示。图 4-24 电机各部件属性设置对话框通过属性设置对话框进行设置后，建立的电机几何模型及各部分名称如图 4-25 所示。图 4-25 电机几何模型图154.2.4材料定义及分配材料属性的指定是通过材料管理器来实现的，Ansoft 12 版本的材料管理器由工具拦右侧的下拉菜单进入，如图 4-26 所示。图 4-26 材料管理器执行界面在建立几何模型时，所有部件的材料属性都默认为真空 vacuum,当选择下拉菜单中Select 选项，将弹出材料管理器对话框，其主界面如图 4-27 所示。图 4-27 材料管理器对话框对于永磁同步电动

19、机静磁场分析，需要指定以下材料属性：1指定气隙Air-gap 材料属性空气（亦可采用默认材料属性真空）；2指定绕组 coil 材料属性铜3定义定子铁心 Stator 及转子轭yoke 材料属性DW465-50,一种电机常用非线性铁磁材料；4定义永磁体材料，命名为 P_Mag，指定给永磁磁极；Step1. 指定 Air-gap 材料属性材料管理器中，列举了电磁分析所常用的材料的基本属性，各个材料均位于材料库中， 当项目需要库中某种材料时，鼠标选择改材料，左键双击，此材料会自动的进入项目管理器菜单中，如图 4-28，在项目管理器的下部，我们可以对材料进行编辑、添加、复制、删除以及导出等操作，这就大

20、大方便了用户对材料类型的选择与定义。16 图 4-28 项目材料添加界面当需要的材料被添加到项目管理目录中后，选择模型管理目录中的 Air_gap 面域，在屏幕左侧出现的属性设置对话框中的 Material 设置为 air，以完成 Air_gap 材料的指定操作。Step2. 指定 coil 材料属性定子绕组的材料属性的指定与气隙材料的指定方法相同，这里不在赘述。Step3. 指定 Stator 和 yoke 材料属性电机定子 Stator 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

21、， 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。1鼠标单击材料管理器下方的 Add material 按钮，出现新材料编辑对话框，如图 4-29；图 4-29 材料编辑对话框2material name 对话框中命名为 DW465-50；3在相对磁导率的类型对话框中选择非线行 nonlinea，Value 项显示为 BH Curve；4选择 BH Curve 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 Add row below 按钮添加列数，BH 点输入完成后编辑器

22、右方窗口显示输入的 BH 曲线图形，单击ok 按钮，如图 4-30 所示；17图 4-30 BH 曲线编辑器5此时项目管理菜单中将出现 P-mag 材料属性，按照前面所介绍的方法将此材料分配给 Stator 和 yoke；Step4. 指定永磁磁极材料属性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。在生成永磁材料之前需要说明一下永磁材料的描述问题。1 永磁体有两种电流模拟方法，体电流密度模拟和面电流密度模拟。线性永磁体一般用磁体表面上的等效电流片模拟。在确定了铁磁材料的矫顽力 Hc ，maxwell 采用标称值， 而不是内禀值，线性永磁材料的关系表达式如下：Br =

23、0 M p = 0 r Hc式中，Br 永次体为剩余磁感应强度；0 为真空中磁导率；r 为永磁体相对磁导率；M p 为永磁体偶极磁化强度。图4-31 线性永磁材料退磁曲线示意图从上式中可以看出，在定义线性永磁材料时，需要的变量有 4 个，这 4 个量中只有两个是相互独立的，在已知其中两个量后，另外两个量可以根据相互关系计算出来，因此， 用户需要定义两个量，方能确定永磁材料的特性。2 对于非线性的永磁材料，在 Maxwell 中采用回复磁导进行模拟，而不采用实际的退磁曲线。如图 2-32 所示，(a)为非线性永磁材料的原始退磁曲线，(b)为回复线所代表的退磁曲线，根据永磁材料的不同形状，非线性永

24、磁体的工作点可为退磁曲线上的任一点， 在 Maxwell 进行数值计算时，采用的通过该工作点的回复线所代表的退磁曲线，其 B 与轴的交点略低于起始工作值。因此，通过上述的分析，非线性的永磁材料也可以用线行的方法进行模拟，只是其相18对磁导率，采用回复线上的磁导率。(a)原始退磁曲线 (b)回复线图 4-32 非线性永磁材料退磁曲线3进入材料管理器，单击 Add material 按钮，出现新材料编辑对话框，在 material name 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 Permanent Magnet，如图4-33 所示，将会自动弹出永磁材料定义对话框，如图2-

25、34 所示，在矫顽力 Hc 中输入-947000， 单位为 Amps/Meter，剩余磁感应强度 Br 中输入 1.25，单位为 Tesla，点击 OK 按钮，用户设置的永磁材料将出现在项目管理菜单。图 4-33 永磁材料选择对话框图 4-34 永磁材料属性设置对话框4指定磁极的磁化方向，在以前的 Ansoft 版本中可以通过材料分配对话框直接定义永19磁磁极的磁化方向，可以直接指定角度方向，在 12 版本中，永磁材料的方向指定则是通过相对坐标系的设置来完成，如图 4-35 为永磁材料属性对话框。图 4-35 永磁材料属性对话框在图 4-35 中的阴影部分 Xcomponent 后的值为 1，

26、则表示该永磁材料的激磁方向沿永磁磁极面域所在坐标系的 X 轴正方向上，简单的说，如果永磁体的激磁方向在 Y 轴上则将Ycomponent 后的值改为 1，Xcomponent 后的值改为 0，Zcomponent 后的值改为 0，既然永磁体的极化方向与坐标系相关，因此，在该分析中采用建立相对坐标系的方法来确定永磁磁极的激磁方向，由于所分析电机具有四个磁极，因此，需要在全局坐标系的基础上建立四个相对坐标系统。为建立新的相对坐标系统，执行命令 Moderler/Coordinate System/Creat/RelativeCs/rotated 或者单击工具栏按钮，在坐标系的属性对话框中将名称改为

27、 N_Pole，如图4-36 所示。图 4-36 建立的 N_Pole 相对坐标系及起属性设置对话框按照上述的方法，分别建立其他三个相对坐标系统分别命名为 N_Pole2、S_Pole 和20S_Pole2，在建立相对坐标系统时，注意参考坐标系都选择为全局坐标系统 Global。5将建立的永磁材料 P_Mag，及各个相对坐标系统分配给各个磁极，通过单击各个磁极面域所弹出的属性设置对话框来完成，例如 Magnet_N_1 的设置如图 4-37 所示，材料选择为 P_Mag,方向 Orientation 为坐标系 N-Pole。其它磁极设置相类似，依次为 Magnet_N_2 对应 N_Pole2

28、，Magnet_S_1 对应 S_Pole，Magnet_S_2 对应 S_Pole2。图 4-37 永磁体 Magnet_N_1 属性设置 图 4-38 材料归类分布至此，被分析永磁电机各个部件的材料属性定义与分配均已完成，模型管理器中各个部件的分布亦自动一材料进行归类，如图 4-38 所示。4.2.5激励源与边界条件定义及加载磁场分析中，每个被分析的问题，至少存在一种激励源，在永磁同步电机分析中，存在着电机定子绕组电流源与永磁体两种激励源，永磁体激励源在材料管理器中已经定义并分配给了磁极，因此，在此部分激励源仅定义绕组的电流源。对于边界条件，电机求解域的外边界及转子轭与转轴的交界都应施加相

29、应的边界条件，此问题中由于两处边界均为高21图 4-39 电机绕组分布图导磁介质与非导磁介质的分界处，因此，施加磁通平行边界条件即可，这也是电机分析中最为常用的边界条件。Step1. 绕组分相根据电机设计单中的绕组排列对三相永磁同步电动机定子槽中的绕组进行分相，各相正绕组用英文 Phase 表示，负绕组用英文 Return 表示，例如对于 60 度相带电机绕组一般采用 A、Z、B、X、C、Y 表示，A、B、C 分别代表三相正绕组，X 代表 A 相负绕组，Y 代表B 相负绕组，Z 代表C 相负绕组，在此数值计算中 A 表示 A_Phase，X 表示为 A_Return，其它表示类似，按照图 4-

30、39 对绕组分相。Step2. 加载电流激励源绕组分相结束后，各个绕组的从属关系如图 4-39 已经比较明确，选择 A_Phase 相四个绕组，执行命令 Maxwell 2D/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，在 Ansoft 软件中正方向指电流流出分析平面，负方向指电流流入分析平面，在本问题分析中，只选择正方向，电流值则采用“正负”表示， 如图 4-40 所示。图 4-40 电流源设置对话框对于 B、C

31、 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。Step3. 加载边界条件对于本分析问题，前面已述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 Maxwell 2D /Boundaries/ Assign/ Vector Potential，命令执行过程如图 4-41，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 即边界出无磁场通过，也就是说电机无边界漏磁存在，如图 4-42 所示。图 4-41 施加边界条件操作菜单22 图 4-42 位函数边界设置对话框及电机边界4.2.6求解选项参数设定本例中除了计算电磁场外，还需要确定电机转子上