沈工大电磁场仿真永磁同步电机静磁场讲解.docx

1、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Ansys Maxwell 16.0。Ansys Maxwell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

2、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。Ansys Maxwell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。Ansys Maxwell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，Ansys Maxwell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Ansys Maxwell16.0并建立新的项目文件 （2）定义分析类型 首先，执行Proj

3、ect/Insert Maxwell 2D Design命令。其次，执行Maxwell 2D/Solution Type命令，在弹出的求解器对话框中选择Magnetic栏下的Eddy Current求解器。 （3）重命名及保存项目文件执行File/Save as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Rescale to new units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

4、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/Center Point。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/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

5、。6执行弧线绘制命令Draw/Arc/Center Point，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/Center Point，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/Bool

6、ean/Unite操作，合成一体。结果如下图所示：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/Cover lines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。要将Clone tool objects before

7、 operation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/Cover lines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O

8、K按纽完成电机定子冲片模型，在两次操作中要将Clone tool objects before operation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/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/Unit

9、e，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/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。再执行命令Modeler/Bo

10、olean/Subtract，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。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/Cover lines生成转轴面域，再执行命令Modeler/Boolean/Subtract，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

11、objects before operation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y

12、oke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Add material按钮，出现新材料编辑对话框material name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BH Curve；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

13、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，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

14、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Maxwell 2D/Excitation s/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/Ed

15、ge命令，选择边界线，再执行命令Maxwell 2D/Boundaries/Assign/Vector Potential，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Maxwell 2D/Parameters/Assign/Force和命令Maxwell 2D/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

16、，并且Axis选Global：Z、点击positive既可。（2）电感矩阵设置，首先执行命令Maxwell 2D/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Return Path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Post Processing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_

17、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Maxwell 2D/Mesh Operations/Assign/On selection(Inside Selection、Surface Approximation)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Maxwell 2D/Analysis Setup/Add Solution setup，自动弹出求解设置对话框

18、，主要包括一般设置、收敛设置及求解设置。在General中的Adaptive Setup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Maxwell 2D/Validation check，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Maxwell 2D/Analysis all，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/Flux lines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Flux lines，选择所有物体all objects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all objects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