FEM-ACAD上机实验.doc

1、有限元及ACAD上机实验(电气 级)一、最低软件环境Windows XP及以上 Ansoft Maxwell、AutoCAD Microsoft Office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）。u 6/4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。u SRM x-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

2、，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）。u

3、6/4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。u SRM x-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Windous 10系统、autoCAD2010、ANSOFT Maxwell15.0（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，

4、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ANSOFT Maxwell（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

5、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Insert Maxwell 2D Design，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ModelerbooleanUnite，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

6、曲线的数据输进去，保存为.bh格式鼠标右键点击Materials，选择Edit Library，打开材料库，点击Add Material在相对磁导率类型下拉列表选择“Nonclear”，然后点击Value当中的“B-H curve”按钮点击Import Dataset，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“Validate Material”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“Assign Material”，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Ed

7、ge，然后选中最外层极联颚外边，右击，在弹出的菜单中选择Assign BoundaryVector Potential，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Assign ExcitationCurrent，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

8、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“Add Solution Setup”，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

9、全选整个模型，右键Field Overlays，然后选中Plot Mesh，点击“Done”选项即可。（2） 查看磁力线分布图全选整个模型，右键Field OverlaysAFlux_lines，然后设置如下如果磁力线太稀疏，可以右键A，选择“Modify Attributes”选择“Scale”，将线段改为40段，点击“Save as default”，然后点击Apply。（3） 查看磁密分布图全选整个模型，右击Field OverlaysBMab_B，如下图所示（4） 查看磁密曲线右击resultscreate fields reportrectangular plot，在选项卡中的Geo

10、metry选择创建的线段、圆弧或圆，Category选择calculator expressions，Quantity选择Mag_B，Function中选择none，然后点击new report，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Maxwell 2DFieldsCalculator，然后出现下面的选项框在Quantity中选择B，在Unit Vec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“

11、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Save Fields and Mesh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resultsCreate Magnetostatic ReportRectangular Plot。将Primary Sweep改为ff，Catego

12、ry选择MagFlux，Quantity选择Matrix1.Magflux（Ain），Function选择none，点击new report，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editarrangeRotate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

13、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

14、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

15、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

16、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.

17、 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。