基于Maxwell的损耗的有限元计算.docx

1、基于Maxwell的损耗的有限元计算损耗的有限元计算2013.09.28L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/LT2007 DXF (*. dx)AWoCA

2、D 2Q10图形(匕號写AutoCAD 2007/LT2007 圍彭AutoCAD 2004/LT2004 園形AutoCAD 2000/LT2000 團形AutoCAD R14/LT98/LT9TA-utoCAD 图开纟:乎；隹(*. dws)AutoCAD圄形库 AutoCAD 2010 DXF (*. dxf)Amb：.CAIi 20iJ7/LT2riiJ7 DXF 导.dx)AmtoCAIi 2000/LT2000 DXF 1. -ixf)AutoCAD R12/LT2 DXJ (*.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ansof

3、t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20C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/nioK = 1 + 代 - 20）熬（1 -蛊）Ba （）1% = 1 + 20）劉（1 -益）盅20（5） Motion setup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

4、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。PrflasUr匕心lioa:V aevwse direct: /se JefwltsSlave Boundary（3）对于主从边界处相对于参

5、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Maxwell 2D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

6、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。Solve SetupGeneral | | Impress: on Cacho | Solverijve SetupMo:n-art Nuibftr of Fa：Percent Erro)厂 Sol Arolyzo AlJ3 Edit dotes.3D Mod

7、al EditorI ) Object Tempe*jure.Qo口护 fottngs.htadel fiounchnes tMOUtionS DgmotEOperaboMAgHrI?AnaljiiiField.fieiuksGow 2D Design.&pot Equrvent Grcut Design properties.Design DaU*.I a P% S S.伞 a Q 口 l5 e 聲砂再3 丽 3 ! I i 04 o? i ； 乂 J51|b i 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

8、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） Maxwell 3D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。Set Eddy EffectU$e chedOoK備 to tjn on/ofl ed(b

9、effect saiinos. Use sujjested valuesOtject Ed 戈iEf&tDIPMPM.2PM_3PM 4PM 5PM 6PM_7Select By Name.OK | Cancel3.4.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Maxwell 3D进行求解，求解时间相对Maxwell 2D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

10、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Maxwell 3D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。(rd j 0 0I J I 0 100 2Hinmi（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34设置。5模型建立时应特别注意广州数控的2lkW、42kW、69kW、942kW、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Maxwell 2D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。