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1、Ansoft12在工程电磁场中的应用在工程电磁场中的应用主讲人：杨菲Ansoft界面介绍界面介绍图图1 Ansoft界面界面永磁同步电机静磁场分析永磁同步电机静磁场分析问题描述问题描述 三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子 绕组、永磁体、转子铁心组成。电机定子绕组、永磁体、转子铁心组成。电机定子内径、外径分别为内径、外径分别为110mm，174mm。极数。极数4，定子槽数，定子槽数36。一、创建项目一、创建项目1.双击图标双击图标 打开打开Ansoft软件。软件。3.在项目管理窗口右击，选择在项目管理窗口右击，选择Rename命令，输入命令，输入PMSM-M
2、agstatic，如图，如图2所示。所示。2.单击图标，进入单击图标，进入2D求解域。求解域。图图2 项目文件重命名界面项目文件重命名界面4.单击图标，在已知目录下保存文件，其文件名为单击图标，在已知目录下保存文件，其文件名为PMSM-Magstatic，如图，如图3所示。所示。图图3 项目保存目录对话框项目保存目录对话框二、构建几何模型二、构建几何模型1.执行执行Modeler/Units命令，选择几何模型的单位为命令，选择几何模型的单位为mm。2.建立电机的定子槽建立电机的定子槽在屏幕下方的坐标对话框中分别输入线段的起末点位置坐标，在屏幕下方的坐标对话框中分别输入线段的起末点位置坐标，其点
3、坐标分别为（其点坐标分别为（-1.25，55.0），（），（-1.25，56.3），（），（-2.5，57.0），（），（-4，74.3），生成电机半槽部分模型，如），生成电机半槽部分模型，如图图4所示。所示。图图4 电机半槽直线段模型电机半槽直线段模型3.选择已建立的线段，执行选择已建立的线段，执行Edit/Duplicate/Mirror命令，在命令，在X轴上任取两点。轴上任取两点。4.执行执行Draw/Arc/Center Point 命令，以（命令，以（0，74.3），），（-4，74.3），），（4，74.3）这三点完成定子槽底弧线部分模型）这三点完成定子槽底弧线部分模型的建立，如图
4、的建立，如图5所示。所示。图图5 槽底弧线及定子槽模型图槽底弧线及定子槽模型图5.执行执行Edit/Duplicate/Around Axis命令，沿轴复制，在命令，沿轴复制，在Axis选择沿选择沿z轴复制，相隔轴复制，相隔10，进行，进行36次复制。如图次复制。如图6-7所示。所示。图图7 复制后的定子槽复制后的定子槽图图6 定子槽复制对话框定子槽复制对话框6.执行执行Draw/Arc/Center Point命令，以（命令，以（0，0）作为中心原点，）作为中心原点，将各个定子槽用圆弧连接。按将各个定子槽用圆弧连接。按Ctrl+A键选择所有物体，执行键选择所有物体，执行Modeler/Boo
5、lean/Unite命令，命名为命令，命名为“slot”。操作及模型如。操作及模型如图图8所示所示。图图8 布尔运算后生成电机定子槽布尔运算后生成电机定子槽7.绘制电机绕组，绘制电机绕组，执行执行Draw/Line命令，分布输入（命令，分布输入（-2，57），（），（-3，74.3），执行），执行Edit/Duplicate/Mirror命令，然后执行命令，然后执行Draw/Arc/Center Point命令，以（命令，以（0，74.3）作为中心原点，两侧点坐标分别为（）作为中心原点，两侧点坐标分别为（-3，74.3），（），（3，74.3）绘制弧线，并将所有线段闭合连接，执行）绘制弧线，并
6、将所有线段闭合连接，执行Modeler/Boolean/Unite命令。命令。8.执行执行Modeler/Surface/Cover Lines，生成一个面，并改名为，生成一个面，并改名为“coil”，如图，如图9所示。所示。图图9 单个定子槽绕组模型单个定子槽绕组模型9.执行执行Edit/Duplicate/Around Axis命令，沿轴复制，在命令，沿轴复制，在Axis选择沿选择沿z轴复制，相隔轴复制，相隔10，进行，进行36次复制。如图次复制。如图10所所示。示。图图10 定子槽绕组模型定子槽绕组模型10.创建电机定子冲片模型。执行创建电机定子冲片模型。执行Draw/Circle命令，
7、原点为（命令，原点为（0，0），半径为），半径为87mm，名字为，名字为“stator”。选择。选择“slot”，利，利用用Modeler/Surface/Cover Lines生成面。生成面。11.选择选择“stator”和和“slot”，执行，执行Modeler/Boolean/Substract命令。得到定子模型，如图命令。得到定子模型，如图11所示。所示。图图11 电机定子冲片模型电机定子冲片模型12.创建永磁体。执行创建永磁体。执行Draw/Line命令，分布输入（命令，分布输入（0，49），），（0，54）。选择该直线，执行）。选择该直线，执行Draw/Sweep/Around A
8、xis命令，命令，在在“Sweep Around Axis”对话框中输入旋转角度为对话框中输入旋转角度为80，并改名，并改名为为“Permant”。13.执行执行Edit/Duplicate/Around Axis命令，沿轴复制，在命令，沿轴复制，在Axis选择沿选择沿z轴复制，相隔轴复制，相隔90，进行，进行4次复制。如图次复制。如图12所示。所示。图图12 永磁体模型永磁体模型14.创建电机转子冲片模型。执行创建电机转子冲片模型。执行Draw/Circle命令，原点为（命令，原点为（0，0），半径为），半径为49mm和和19mm的两个圆，名字分别为的两个圆，名字分别为“rotor”和和“r
9、otor1”。15.选择选择“rotor”和和“rotor1”，执行，执行Modeler/Boolean/Substract命令，得到电机模型，如图命令，得到电机模型，如图13所所示。示。16.利用图标利用图标 建立求解区域建立求解区域。图图13 电机几何模型电机几何模型材料描述材料描述气隙的材料属性为空气绕组coil的材料属性为铜定子铁心和转子的材料属性为DW465-50，一种电机常用非线性材料永磁体材料定义为P-Mag，并指定永磁磁极三、材料属性三、材料属性1.绕组绕组coil的赋值方法的赋值方法选择所有选择所有coil，在工程状态栏中，点击，在工程状态栏中，点击Material，在，在“
10、Select Definition”对话框中，选取对话框中，选取“copper”，如图，如图14所示。所示。图图14 绕组属性赋值绕组属性赋值2.定子和转子的赋值方法与绕组的赋值相同。如图定子和转子的赋值方法与绕组的赋值相同。如图15-17所所示。示。图图15 添加材料属性图添加材料属性图图图16 添加材料库添加材料库图图17 材料赋值材料赋值若是需要一种新材料，可以通过输入其若是需要一种新材料，可以通过输入其bh曲线进行赋值。曲线进行赋值。如图如图18所示。所示。图图18 BH曲线编辑器曲线编辑器3.永磁体的赋值。进入材料管理器，单击永磁体的赋值。进入材料管理器，单击Add material
11、按钮，按钮，在在Material Name中输入中输入P-Mag。在矫顽力。在矫顽力Hc中输入中输入-947000，单位为，单位为A/Meter；在剩余磁感应强度；在剩余磁感应强度Br中输入中输入1.25，单位为，单位为tesla，如图，如图19所示。所示。图图19 永磁材料属性对话框永磁材料属性对话框输入负值输入负值4.建立新的相对坐标系统，执行建立新的相对坐标系统，执行Modeler/Coordinate System/Create/Relative Cs/rotated命令，并将名称改为命令，并将名称改为N-Pole，如图所示。按照上述方法分别建立其他三个相对，如图所示。按照上述方法分别
12、建立其他三个相对坐标系，名字分别为坐标系，名字分别为N-Pole2，S-Pole和和S-Pole2。5.将各个相对坐标系统分别给各个磁极，如图将各个相对坐标系统分别给各个磁极，如图21所示。所示。图图21 永磁体属性设置永磁体属性设置图图20 相对坐标系统的建立相对坐标系统的建立四、激励源与边界条件定义及加载1.绕组分相，根据电机设计中绕组排列对三相永磁同步电机定绕组分相，根据电机设计中绕组排列对三相永磁同步电机定子槽中的绕组进行分相，各相正绕组用子槽中的绕组进行分相，各相正绕组用“Phase”表示，负绕表示，负绕组用组用“Return”表示。按下图表示。按下图22所示进行分相。所示进行分相。
13、图图22 电机绕组分布图电机绕组分布图2.加载电流激励源。选择加载电流激励源。选择“A_Phase”相六个绕组，执行相六个绕组，执行Maxwell 2D/Excitations/Assign/Current命令，如图命令，如图22所示。所示。图图22 电流源的设置电流源的设置3.加载边界条件。执行加载边界条件。执行Edit/Select/Edge命令，选择定子外圆。执行命令，选择定子外圆。执行Maxwell 2D/Boundaries/Assign/Vector Potential命令。命令。图图23 位函数边界设置位函数边界设置将选择物体设置为边将选择物体设置为边五、求解选项参数设定五、求解
14、选项参数设定1.力和力矩的设置力和力矩的设置 选取永磁体和转子面，执行选取永磁体和转子面，执行Maxwell2D/Parameters/Assign/Force或或Torque命令。命令。图图24 力和力矩参数设置对话框力和力矩参数设置对话框2.网格剖分设置。网格剖分设置。执行执行Maxwell 2D/Mesh Operations/Assign/On Selection（或（或Inside Selection、Surface Approximation）命令。）命令。图图25 剖分设置剖分设置3.求解残差设定。求解残差设定。执行执行Maxwell 2D/Analysis Setup/Add
15、Solution setup命令。命令。图图26 求解设置对话框求解设置对话框4.分析自检。分析自检。执行执行Maxwell 2D/Validation Check命令。命令。图图27 自检过程自检过程1.自检完成后，执行自检完成后，执行Maxwell 2D/Analysis all命令。命令。图图28 求解过程求解过程2.执行执行Maxwell 2D/Results/Solution data命令。命令。六、后处理六、后处理图图29 解观察对话框解观察对话框图图27 收敛数据信息收敛数据信息图图28 三角单元与收敛数据关系三角单元与收敛数据关系3.观察力和力矩信息。观察力和力矩信息。图图29
16、 力信息力信息图图30 力矩信息力矩信息 Maxwell 2D磁场分析时，Z轴长度是以1m深进行计算的，而实际长度却是80mm，因此电机受到的实际力矩是：Ta=Tdepth=2.26580.08=0.1812644.观察剖分信息和剖分图。执行观察剖分信息和剖分图。执行Maxwell 2D/Fields/Plot mesh命令，显示电机模型剖分情况，如图命令，显示电机模型剖分情况，如图31-32所示。所示。图图31 模型剖分统计信息模型剖分统计信息图图32 模型剖分图模型剖分图5.观察磁场分布。选择所有物体，执行观察磁场分布。选择所有物体，执行Maxwell 2D/Fields/Flux lin
17、es命令。命令。图图33 场图设置对话框场图设置对话框图图34 电机磁力线分布电机磁力线分布5.观察磁通密度分布。选择所有物体，执行观察磁通密度分布。选择所有物体，执行Maxwell 2D/Fields/B/Mag_B命令。命令。图图35 场图设置对话框场图设置对话框图图36 电机磁通密度云图分布电机磁通密度云图分布6.气隙磁密波形的显示气隙磁密波形的显示 1）利用图标利用图标 绘制一个圆点为（绘制一个圆点为（0，0），半径为），半径为54mm的圆的圆形，并改名为形，并改名为“Br1”。2）选择）选择“Br1”，利用图，利用图37所示，将面变为线。所示，将面变为线。3）由图）由图38-39所示，得到负载气隙磁密分布图。所示，得到负载气隙磁密分布图。图图37 Br1由面变线由面变线图图38 显示显示Br1的磁密曲线的磁密曲线图图39 负载气隙磁密分布图负载气隙磁密分布图7.极间漏磁因数极间漏磁因数 1）利用图标利用图标 绘制绘制4个点，分别为个点，分别为P1,P2,P3,P4，如图所示，如图所示;2）利用图）利用图40-41所示，求出各点的所示，求出各点的AZ值；值；图图40 取点位置图取点位置图P1，P2，P3，P4分别分别对应于对应于A1，A2，A3，A4P1点的点的Az值值极间漏磁因数极间漏磁因数1.013