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1、精品名师归纳总结ANSYS在电机开发中的运用通过实践证明，在很多情形下，接受经典算法设计电机，再通过“打样”进行验证和修改，一般已可以中意设计精度的要求。这是很多工厂的主要设计方法之一。经典设计方法是基于等效磁路即“场化路”的运算方法。但我们知道，电机设计中的诸多系数，有的是依靠电磁场运算获得，有的就是通过反复试验将数据统计分析得出的，这就准备了设计 分析的近似性。实际上，由于电机内的电磁场特殊复杂，研发人员往往第一接受很多假设来简化分 析条件。例如我们熟知的：先忽视漏磁影响，忽视铁磁材料饱和的影响，将电枢假设为光滑表面（忽视齿槽的影响），近似认为在每段磁路中磁通沿长度和截面是均匀分布的等等，
2、待完成基本推导后，再利用试验和体会对各系数加以修正。但当面对比较复杂的电机，很多实际情形与假设相差甚远，漏磁路是特殊复杂的，漏磁通占的比例通常很大，而铁磁材料一般都比较饱和，磁通分布实际上很不均匀，畸变严肃，磁导是非线形的，出于需要，现代电机中磁极的形状，齿槽分布又是多样而复杂的如有宽敞应用前景的永磁电机中的永磁体的局部失磁等复杂的电磁过程，经典运算方法已经不能中意需要。必需用到基于 “场”的分析和运算方法（数值运算）。本文就是预备举荐在工厂中解决这些问题的一个有效工 具。对电机电磁场进行数值运算的原理和方法已，如有限元法、有限差分法和边界元法有大量专著介绍。其中有限元法应用最为广泛，由于运算
3、机的广泛应用，使这一方法有了特殊宽敞的有用价值，而 ANSYS就是功能最强大、最有效的有限元分析专用软件。一 ANSYS是将工厂与深奥的电磁场分析连接起来的重要工具电磁场的分析和运算通常归结为微分方程的求解。ANSYS软件缩短了工厂设计与抽象的电磁场理论间的距离，将抽象的物理场将变得可视和直观，用它强大的功能求解这些复杂的偏微分方程，可直接输出我们需要的结果，ANSYS 是在 FORTRAN编程语言的基础上形成的，但它使用时却如同说明性语言一样，可以便利的实现人机对话。有其它运算机语言和CAD 绘图基础的人就更简洁入门，找到分析深奥理论问题的捷径。简洁说，我们可以针对要分析的电机，将定子、转子
4、、气隙都按尺寸绘出轮廓（几何建模），然后将它们的各个部分如线圈、磁极、磁轭、机壳分别定义它们的材料特性（如电阻率、磁化曲线等），使各部分的模型由几何体变成由材料组成的物体。然后我们将上述几何体按确定规章划分成很多网格（网格划分），再通过命令语句对需要的部位加上边界约束条件，加上绕组中的电流等（加载，成为一个运算机中的模型电机的静止状态了）。选择适当的运动步长让定转子在气隙中的人为设定的边界上以整数个节点数与定子相对移动（电机旋转）。通过 ANSYS给我们预备好的求可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结解器，对网格划分形成的每个节点进行运算分析，就可以较精确的运算出我们需要的电机的磁场
5、分布、电感、力矩等等。可见 ANSYS与我们习惯的运算方法有很大不同，它的实质是通过在运算机中模拟运行电机来求解的。求解过程可分为为三大步骤：前处理建模与网格划分，加载设置求解，后处理。ANSYS的用途远非限于电磁场分析和运算。事实上，电机的运行处在电、磁、热、流体、力和运动的多种物理场的耦合的复杂过程中，在与外电路连接后，又受到外部电路的复杂影响。ANSYS正是唯独能够真正多实现电机多物理场耦合的有限元分析工具，借助于 ANSYS软件可以建立电机（包括定子、转子、气隙、结构件、绝缘件和外部电路）用于电磁、流体、热、结构分析的统一的有限元运算模型。通过进行电机磁场分析，运算磁场和磁密分布、矩角
6、特性、电感和感应电势等参数，获得电机电磁力和电磁力矩分布等。并且可以在同一个分析模型上，利用分析得到的电磁发热，将电机的流体热直接进行耦合分析， ANSYS可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，由此考核电机的通风冷却成效，并得到电机在确定的冷却风量下的温度分布、冷却流体速度和压力等。仍可以利用以上全部结果对电机进行结构分析，得到在考虑温度和电磁影响下的电机结构件的应力和变形情形，甚至同时对电机定子、定转子耦合情形进行振动模态分析，判定电机的机械性能和安全性能。本文仅对我们最有用的 ANSYS在微电机电磁场分析中的运用作一些初步介绍，这类资料所见不可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师
7、归纳总结多，期望本文能起到抛砖引玉的作用。二 建模与网格划分可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在分析物体的物理过程时，最直观的是物体的几何形状。“建模”就是在ANSYS环境下将电机的几何模型表示出来，再赐予各部件物质的特性。我们遇到最多的电机分析问题集中于垂直于电机轴的平面场，电流密度和磁矢位只有轴向分量，因此我们遇到的大多数电机可以简化为二维场的分析，即建立平面模型就可以了（对于需考虑端部效应、边缘效应的电机就应当用三维场分析，需立体建模）。通常将圆柱形电机旋的转轴心与Z 坐标重合（或平行），而取一与其垂直的截面建模（但依据不同情形要分别对待，例如某些接受轴向磁场的电机、“无限
8、长”直线电机就应当取轴向截面）。1 建模和分析方式的选择本文不举荐初学时将其它制图软件（如PRO/E、 Solidworks和 AutoCAD）中的几何图形直接导入 ANSYS，由于转换和修复方面花费的时间可能比直接建模仍多，而且简洁出错。体会证明：当采用命令流程序时，关键点的定义处理会不便利。另外：分析时，我们通常在气隙中设置一条运动边界，这是几何图形中没有的，又增加了修复任务。当然有些已有转换体会的人另当别论了。ANSYS中可以通过命令流或GUI 来处理分析过程。本文建议初学练习时多用GUI 熟识软件各界可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结面、操作、菜单功能和对话框，而实战时应
9、当选用在文本文件中直接编写命令流的方法。一般而言，前处理使用命令流出错少，而求解把握里面使用GUI 却比较便利。但不管用哪种方法输入的命令执行后，该命令就会在自动生成的.LOG 文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG 文件的内容。假如软件运行过程中显现问题，查看.LOG 文件中的命令流及其错误提示，将可快速发觉问题的根源。 .LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，可以由ANSYS自动读入并执行，成为一个有用的命令流文件。ANSYS具有友好的人机对话界面，例如我们运行了选取单元的命令后，可以通过主菜单Utility MenuListPropertiesEle
10、ment Type，就可看到我们元素的输入选择，并可以准时修改，和说明性语言一样便利。其它命令也可按要求显示结果，不一一列举。ANSYS的运行过程仍通过同步显现的 Output Window 显示出来，让我们“知情”，特殊在我们等待漫长的运算收敛过程时，很有帮忙。2 基本内容（ 1）单元选择在键入 /PREP7 命令进入一般前处理器后，将使用的单位制选择为MKS 制。然后依据需要通过ET 命令 ANSYS元素库中选择分析所需的单元类型，以便后面将其支配给适当的区域。ANSYS程序的电磁场分析分为低频和高频这两个主要的分析模块。电机电磁场属于似稳场，选用低频电磁场分析部分。例如ET,1,13！一
11、般二维电磁场分析可选PLANE13（ 13 号单元） ET,2,PLANE53,3！第 2 号元素的类型， PLANE53（ 53 号单元），代表单元特性的编码 3，当 KEYOPT（1） =3 时有磁矢位、电流、电动势三个自由度ET,3,124,0.第 3 号单元的类型circu124 ， KEYOP（T 1） =0（外电阻）ANSYS能将电机内电磁场和外部电路结合起来进行场路耦合分析，将电路连接到有限元范畴的电流源区域，直接用于2-D及 3-D的分析中。这其中包括绞纽线圈（包括螺线管线圈电路，变压器和电机定子）和块状导体线圈（如鼠笼转子等）的分析。场分析模型中有两种类型的终端条件可实现与电
12、路的联接：电路供电绞线圈和电路供电块导体。在二维状态下，场分析中与电路联接的部分必需用53号单元（ PLANE53 2-D 8 节点的磁性体），而三维时必需用97号单元（ SOLID97 3-D 磁性体），并应将一般的线路单元CIRCU124 同上述某一个元素类型联合使用。欲详细明白可查ANSYS Elements Reference单元详述。（ 2） 在编写命令流文件时，应当选用参数化建模的方法。同类型电机的几何形状有很强的相似性，这样通过一次建模，会为今后多台电机分析打下基础，节省大量时间。ANSYS参数设计接受可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结FORTRAN的方式进行，也和
13、很多高级语言程序语法相像，但格式远没那么严格。无大小写限制，不要行号。只用固定代号输入电机各参量、尺寸，包括冲片、槽型、磁极，例如：Mph=3！输入相数Z=24！输入电枢齿数pole=4Drot=0.0430.！输入极数输入转子直径可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结此外，仍有 *SET， Par， VANU，E（ 3）材料命名，接受MP命令VAL2 VAL10等命令也可用于赋值。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结MP,MURX,1,1.气隙（ MP为定义材料特性，编号1#，导磁率 1.0 ）/input,DW470,sim. sim文件由设计者在文本文件输入磁化曲线
14、后存为sim文件，这里是读取定子硅钢片DW470的磁化曲线（留意后缀前用的是“，”而不是“. ”）/input,Q235-A,sim.读取机壳材料 Q235-A 的磁化曲线/input, DW470,sim.读取转子轭硅钢片DW470的磁化曲线MP,MURX,5,1.定子线圈导体材料，编号5#，导磁率 1.0调试程序时 , 也可以先用线性材料来定义某些非线形材料, 可节省时间，待程序通过再修改代， 例如 /input,DW470,sim可先用 MP,MURX,2,2000代之。（ 4） 求解区域为了尽量削减电磁场求解的区域范畴，以削减运算时间（成千上万的节点算完往往要几个乃至十几个小时），考虑
15、到电机结构的对称性，沿周向分布的电磁场具有周期性，我们可以取一个极距范畴作为求解区域。本文举荐取相邻两极间的几何中心线（op.）为边界。当然，求解区域应当 对应整数个电枢槽，否就宜找出为二者最小公倍数的几何中心线（一般选择n 电角度）。这样因磁位 A 沿中心线法向变化率为零，可以中意其次类齐次边界条件（磁位微商为零）：AOP =0n另外，我们通常选用电机的外（导磁的）侧面为（强加的）边界面，这是基于认为磁力线沿此表面（ c_out ）闭合，是一个一类齐次边界（磁位为零：Ac_out=0）。由于考虑到电机外壳的漏磁很小 , 无需建立电机外壳外面的空气单元, 也无需建立远场吸取单元来考虑电机外壳漏
16、磁。此外， 通常将转子铁心的内圆也取为一类齐次边界面，微电机中，当轴为铁磁物质时，可将内圆缩至圆心。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（ 5） 坐标选择对于场分析模型而言，坐标的概念特殊重要，用坐标输入的方法作电机的几何图形时，典型结构电机用圆柱坐标更为有利，可用命令LOCAL定义局部坐标系（例如LOCAL， 11， 1 意为定义为11#圆柱坐标系， LOCAL， 12， 0 意为定义为12#直角坐标系），将圆柱坐标原点定义在电机的旋转中心。然后逐个输入点的坐标作图。在电路分析模型中，节点或单元坐标并没有什么实际意义，重要的是路的联接关系。在定义电路单元的节点时，原就上坐标值可以
17、任意设定，但为了在图形显示后更便利观看，对电路单元的节点坐标定义可接受确定的规章。例如二维场、路耦合分析时，电路绞线圈单元的 I 、 J 节点的 X 和Y 坐标可以设置为其场模型上的一个 K 节点的 X 和 Y 坐标，而 I 、J 节点的 Z 坐标可分别设为 +z 和- z（此处 z 为一任意值），使场路模型的耦合关系在图形显示上特殊直观（这样的模型建立方式如通过 ANSYS的二次开发语言 APDL可以更便利的完成）。（ 6） 几何建模电机模型接受逐点输入坐标，由点到线、由线到面一步步绘出几何图形。从最低级的图元向上构造模型，被称为自底向上实体建模（这是笔者接受的方法，但不少论文举荐自顶向下进
18、行实体建模，见仁见智，请读者自己体会）。为了给后面的网格划分制造条件，我们通常将电机分三块建模，即定子（含磁性机壳）、转子（含磁性转子支架、磁性轴）、空气隙。再将其分别离散，再通过拼接得到整个求解区域的网格。通过“ K”命令输入关键点坐标，其中一些关键点输入后，另一些点可以通过前述输入的几何关系生成，达到参数化几何建模的目的。像电机这样比较复杂的模型，一开头就要在局部坐标下建立，以便利模型的移动，例如槽形、极靴等不同心的圆弧可以通过定位尺寸在需要的的方建立新坐标（园弧用局部圆柱坐标，多边形可用局部的直角坐标）来输入点，输完后回到原坐标系，可以防止尺寸转换。生成点时，对点最好进行有规律的编号（例
19、如 1#极下编为 1001、 1002. ，此极下的定子 1#槽的点编为1101 2#槽的编为 1201 . 等，以下对线段也可如此，），可编成命名语句自动生成。笔者宠爱将径向的下标加上_lay （层），而将周向下标加上_step （步）来有规章的区分。此类技巧可自己摸索。依据网络规划，一些段可以用节点填充命令削减工作量。作出点后，再按需要通过命令用弧线或直线连接各点，形成面积，LARC,kit,kit+1,1000000,L,kit+1,kit+2 L,kit+2,kit+3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可以用 lesize命令将线段按需要离散成一些小段，建模时应当就为以后
20、的网格划分打下基础，全面估量磁密的可能分布，将磁场较强或磁密变化大的的方分得密一些，线段（多边形的边） 短一些。然后由关键点生成面，用AL 由线生成面积，如al,21,25,29,24.将指定的线号围成面积21asel,s,area,21 aatt,6！选定面积 A21！ A21 材料为 6（见材料定义）为了与电机运行状况吻合，我们常用假想边界运动方法来处理定转子的相对运动，在气隙径向某处（如 1/2 处）人为设置一条与转子同心的弧线作为运动边界。将运动边界上的节点设置为等距的，在定子和转子运动边界上的节点要分别编号，重合处的节点是双重编号。ANSYS程序供应了完整的布尔运算功能，诸如几何图形
21、的相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。通常槽形、磁极（同材料部分）由多块不同几何形状组成，在建模时，对线、面、体、基元的布尔操作能削减相当可观的工作量。ANSYS程序仍供应了拖拉、延长、旋转、移动、延长和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能仍包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除等。（ 7）网格划分ANSYS程序供应了使用便利、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。在懂得有限元分析网格划分应遵循的原就后，借助ANSYS的命令，利用电机齿槽磁极结构的重复性，仅对一个齿槽进行剖分，然后通过旋转复制得到其它求解
22、、可节省时间。例如某个多极电机（求解区域有6 个极）对磁极划分命令流：mshape,0！声明网格化时元素的形状，0（四边形）mshkey,2！声明网格化时使用对应网格与自由网格混合（2）csys,1！声明座标系为极座标asel,all！选中全部区域，amesh,all！将选中的一组（ ALL）面积进行网格化agen,6,all,ang_p！复制（ 6-1 ）次，每次旋转间距ang_p 极距角 ANSYS供应了四种网格划分方法：延长划分、映像划分、自由划分和自适应划分。我们青睐的自由网格划分器功能强大，近乎“傻瓜”化，可对复杂模型直接划分，防止了我们在烦琐而细致的网格划分中耗费大量精力和时间，也
23、削减了对各部分分别划分然后进行组装时彼此网格不匹配带来的麻烦。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其余三种网格划分方法是：延长网格划分，可将一个二维网格延长成一个三维网格。映像网格划分，答应用户将几何模型分解成简洁的几部分，然后选择合适的单元属性和网格把握，生成映像网格，在电机中有广泛应用。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动的生成有限元网格，分析、估量网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计 算、估量网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。自适应网格划分ADAPT 前必需查自适应网格划分可用单元，在ansys 中能
24、够自适应网格划分的单元是有限的。建模到此完成了，可以将以上命令流存为.txt文件后运行，每一步骤的图形都可用抓图工具HARD COPY抓下分别储存。后面进入求解分析运算模块 SOLUTION ，求解前别忘了运行 allsel 命令 ，以防某些已划分网格的实体没被选择，那么在实体模型上加载时可能会没有传到 nodes or elements （节点和元素）上去。三 施加边界条件和载荷，求解1 加载物体被加上载荷后成为物理系统，自由度（DOFs）就是用来描写一个物理场的响应特性，加载就是限定自由度。通俗的懂得可认为是限定自变量的数值。工厂中的技术人员熟识运动学的六个自由度，我们选择的每个ANSYS
25、单元也都规定了不同的自由度，例如我们前面选择的几个单元中的自由度为：PLANE13矢量磁势（ AZ），位移，温度，时间积分电势。 PLANE53矢量磁势（ AZ），时间积分电势，电流，电动势压降。在利用 ANSYS对电磁场进行有限元分析的时候，有时候只需要加载相关的边界条件，而不必理会其中的工作原理。这对少有机会进行理论争论的工厂技术人员特殊有利。但是，假如对有限元分 析理论如何在电磁场中应用比较熟识的话，是会事半功倍的。加载通过命令进行，如：CM,ROTOR,ELEM.将几何元素分组形成转子“ROTO”R 组元，FMAGBC,ROTOR.给转子加载边界条件其它常用到的命令有PERBC2（D
26、为二维磁场产生周期约束）。CP, ,CURR,（定义或修改自 由度，其中 CURR是指定义电流，也可选择其它定义，如EMF为电动势等）。 D, ,VOLT,0（定义约束节点的自由度，指定节点，电压，自由度（涉及边界条件）。BEF（加载JS 电流密度、 VLTG 电压）等等，在加载程序段中*DIM（定义批参数矩阵）语句会经常用到。2永磁体的处理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结永磁体的磁场可以认为是由分布电流产生的，问题比较复杂些。在GUI 操作时，线形永磁体（如稀土材料）去磁曲线相对简洁一些，可以直接用剩磁感强度Br 和矫顽力 Hc 来求磁导率，然后输入 cir1pole.mac
27、宏定义材料的性质。非线形材料就可将MGXX, MGYY视为线性磁体输入，然后退磁曲线用与非永磁体材料相同的方法输入。对我们取径向截面建模的电机而言，永磁电机大多采用径向充磁，可以简化成永磁体沿径向的二侧面（侧边）边界上的面电流产生，其内部等效体电流为零。边界条件为侧边与通量平行，磁通垂直穿过极表面。为了减小直轴电枢反应的去磁作用，不少永磁电机接受切向磁路，将磁铁放在轭部交轴位置，仍然可以用相同的方法处理。介绍永磁体命令流处理需要的篇幅太多，本文不预备深述，请阅读特的文献。3 键入 /SOLU，进入求解器，常用命令有：ANTYPE,TRANS！指定分析类型和重新启动，瞬态分析（对全部自由度有效）
28、EQSLV, FRONT！指定方程求解器类型，前沿直接求解器求解（仅在内存）SOLCONTROL,ON！指定用最优化非线性解答默认&增强内部解决法就， NROPT,FULL,OFF.指 定 用 完 全 牛 顿 拉 夫 逊 法 求 解 的 选 项 分 析CNVTOL,A.设置非线形分析收敛值, 矢量磁势CNVTOL,CURR.设置非线形分析收敛值, 电流NLGEOM,ON.包括静态和完全瞬态的最大误差OUTRES,ALL,ALL.将解得的全部数据存写于数据库DELTIM, . 指定加载节奏 t_step 用于加载步幅TIME, .指定加载步幅时间SOLVE.按以上设置的步伐和当前分析类型开头解答
29、其中的物理意义本文不予详述。对于复杂求解，为明白答需要，仍可用*cfopen, *vwrite, *cfclos等命令进行文件开关读写，用/INPUT命令交换当前文件，输入到指定的宏文件中对所求的特殊物理量进行分析运算。四后处理通过 /POST1 命令进入ANSYS运算结果后处理器数据库，可以查看磁势（AZ ）、电压降（ VOLT ）磁通密度（ BX 、BY ）、磁场强度（ HX 、Y ）等。用 ETABLE, 命令定义单元表和指定答案数列的参量名称，用 *GET,命令给求解参量赋值，求和，用 SSUM运算和打印单元数列，运算总和等。用 *cfopen, *vwrite, *cfclos 等命令进行文件开关读写，输出结果。通过 /POST26 进入时间历史结果后处理器，查看物理量与时间的函数关系，需要先定义变量，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结就可绘制出需要的函数曲线。如可以得到响应电流、电感、单位长度阻抗、磁感瞬态变量等。以上文字，目的在于向与我一样长期工作于工厂一线的技术人员介绍一个进入较深一些的电机 分析领域的工具。 ANSYS软件中的内容极其广泛，本文仅是围绕电机的二维场分析，算是涉及皮毛，水平极为初级，极为有限。仅期望本文能引起同仁的爱好，共同提高工厂电机设计水平。*DIM（定义批参数矩阵）可编辑资料 - - - 欢迎下载