ANSYS在电机设计编程的运用

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1、AN 在电机开发中的运用通过实践证明，在很多情况下，采用经典算法设计电机，再通过“打样”进行验证和修改，一 般已可以满足设计精度的要求。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”的计算方法。但我们知道，电机设计中的诸多系数， 有的是依靠电磁场计算获得，有的则是通过反复实验将数据统计分析得出的，这就决定了设计分析 的近似性。实际上，由于电机内的电磁场非常复杂，研发人员往往首先采用很多假设来简化分析条 件。例如我们熟知的：先忽略漏磁影响，忽略铁磁材料饱和的影响，将电枢假设为光滑表面（忽略 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，待完成基本推

2、导后，再 利用实验和经验对各系数加以修正。但当面对比较复杂的电机，很多实际情况与假设相差甚远，漏磁路是十分复杂的，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，畸变严重，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广阔应用前景的永磁 电机中的永磁体的局部失磁等复杂的电磁过程，经典计算方法已经不能满足需要。必须用到基于“场” 的分析和计算方法（数值计算）。本文就是打算推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计算的原理和方法已，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，由于计算机的

3、广泛应用，使这一方法有了非常广阔的实用价值， 而 ANSYS 则是功能最强大、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计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，但它使用时却如同解 释性语言一样，可以方便地实现人机对话。有其它计算机语言和 CAD 绘图基础的人则更容易入门， 找到分析深奥理论问题的捷径。简单说，我们可以针对要分析的电机

4、，将定子、转子、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一定规则划分成 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，成为一个计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给我们预备好的求解器，对网 格划分形成的每个节点进行计算分析，就可以较准确地计算出我们需要的电机的磁场分布、电感、 力矩等等。可

5、见ANSYS与我们习惯的计算方法有很大不同，它的实质是通过在计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计算。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 正是唯一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 元计算模型。通过进行电机磁场分析，计算磁场和磁密分布、矩角特性、电感和感

6、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效果，并得到电机在一定的冷却风量下的温度分布、冷却流体速度和压力等； 还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 和变形情况，甚至同时对电机定子、定转子耦合情况进行振动模态分析，判断电机的机械性能和安 全性能。本文仅对我们最实用的 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 多，希望本文能起到抛砖引玉的作用。二

7、 建模与网格划分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，再赋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、边缘效应的电机则应该用三维场分析，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（但根据不同情况要分别对待，例如某些采用轴向磁场 的电机、“无限长”直线电机则应该取轴向截面）。1 建模和分析方式的选择本文不推荐初学时将其它制图软件

8、（如PRO/E、Solidworks和AutoCAD）中的几何图形直接导 入ANSYS，因为转换和修复方面花费的时间可能比直接建模还多，而且容易出错。经验证明：当采 用命令流程序时，关键点的定义处理会不方便；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。当然有些已有转换经验的人另当别论了。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熟悉软件各界 面、操作、菜单功能和对话框，而实战时应该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，而求解控制里面使用 GUI 却比较方便。但不管用哪种方法输入的

9、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。如果软 件运行过程中出现问题，查看. LOG文件中的命令流及其错误提示，将可快速发现问题的根源一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，成为一个实用的命令流文件。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Ut ili ty MenuLis tProper tiesElemen tType，就可看到我们元素的输入选择，并可以及时修改，和解释性 语言一样方便。其它命令也可按要求显示结果，不一一列举。

10、ANSYS的运行过程还通过同步出现的 Out put Window显示出来，让我们“知情”，特别在我们等待漫长的运算收敛过程时，很有帮助。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。然后根据需要通过 ET命令ANSYS元素库中选择分析所需的单元类型，以便后面将其分配给适当的区域。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）

11、，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，KEYOPT （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须用53号单元（PLANE53 2-D 8节点的磁性体）， 而三

12、维时必须用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。欲详细了解可杳ANSYS Elements Reference单元详述。（2） 在编写命令流文件时，应该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，节约大量时间。 ANSYS 参数设计采用FORTRAN 的方式进行，也和很多高级语言程序语法相似，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=3Z=24pole=4Drot=0.0430！输入相数

13、！输入电枢齿数！输入极数! 输入转子直径此外，还有*SET, Par, VANUE, VAL2VAL10等命令也可用于赋值。（3）材料命名，采用MP命令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后存为sim 文件，这里是读取定子硅钢片DW470的磁化曲线（注意 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

14、#,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）求解区域为了尽量减少电磁场求解的区域范围,以减少计算时间（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 围作为求解区域。本文推荐取相邻两极间的几何中心线（op.）为边界。当然，求解区域应该对应 整数个电枢槽，否则宜找出为二者最小公倍数的几何中心线（一般选择n n电角度）。这样因磁位A 沿中心线法向变化率为零，可以满足第二类齐次边

15、界条件（磁位微商为零）：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：A c_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,也无需建立远场吸收单元来考虑电机外壳漏磁。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。5） 坐标选择对于场分析模型而言，坐标的概念十分重要，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，

16、 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，原则上坐标值可以任意设定，但为了在图形显示后更方便观察，对电路单元的节 点坐标定义可采用一定的规则；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非常直观（这样的模型建立方式若通过 ANSYS的二次开发语言AP

17、DL可以更方便地完成）。（ 6 ） 几何建模 电机模型采用逐点输入坐标，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（这是笔者采用的方法，但不少论文推荐自顶向下进行实体建 模，见仁见智，请读者自己体会）。为了给后面的网格划分创造条件，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，一开始就要在局部坐标下建立 以方

18、便模型的移动，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地方建立新坐标（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，可以避免尺寸 转换。生成点时，对点最好进行有规律的编号（例如 1#极下编为 1001、 1002.，此极下的定子 1# 槽的点编为11012#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。 笔者喜欢将径向的下标加上_lay （层）而将周向下标加上_step （步）来有规则地区别。此类技巧 可自己摸索。根据网络规划，一些段可以用节点填充命令减少工作量。 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， L

19、ARC,kit,kit+1,1000000,L,kit+1,kit+2L,kit+2,kit+3可以用lesize命令将线段按需要离散成一些小段，建模时应该就为以后的网格划分打下基础，全面估计磁密的可能分布，将磁场较强或磁密变化大的地方分得密一些，线段（多边形的边）短一 些。二 0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!选定面积 A21aatt,6! 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

20、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 程序提供了完整的布尔运算功能，诸如几何图形的相加、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 布尔操作能减少相当可观的工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实 体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、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程序提供了使用便捷、高

21、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 格划分应遵循的原则后，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、可节约时间。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（6T）次，每次旋转间距ang_p （极距角）ANSYS 提供了四

22、种网格划分方法：延伸划分、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，避免了我们在烦琐而细致的 网格划分中耗费大量精力和时间，也减少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。其余三种网格划分方法是：延伸网格划分，可将一个二维网格延伸成一个三维网格；映像网格 划分，允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，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 程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算

23、 估计网格的离散误差，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）前必须查自适应网格划分可用单元，在ansys中能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。后面进入求解分析计算模块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）则是用

24、来描写一个物理场的响应特性，加载 就是限定自由度。通俗地理解可认为是限定自变量的数值。工厂中的技术人员熟悉运动学的六个自 由度，我们选择的每个ANSYS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研究的工厂技术人员十分有利。但是，如果对有限元分 析理论如何在电磁场中应用比较熟悉的话，是会事半功倍的。加载通过命令进行，如：

25、CM,ROTOR,ELEM!将几何元素分组形成转子“ROTOR”组元，FMAGBC,ROTOR! 给转子加载边界条件其它常用到的命令有PERBC2D （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,O （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

26、相对简单一些，可以直接用剩磁感强度Br和矫顽力He来求磁导率，然后输入 cir1pole.mac 宏定义材料的性质；非线形材料则可将 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 电机采用切向磁路，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，本文不打算深述，请阅读专门文献。3键入/SO

27、LU，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（对所有自由度有效）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&增强内部解决法则，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!将解得的所有数据存写于数据库DELTIM,!指定加载节奏（

28、t _s tep）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始解答其中的物理意义本文不予详述。对于复杂求解，为了解答需要,还可用*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 进行分析计算。四 后处理通过/POST1命令进入ANSYS计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计算和打印单元数列，计算总和等。用*cfopen, *vwrite, *cfclos 等命令进行文件开关读写，输出结果。通过/P0ST26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， 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。仅希望本文能引起同仁的兴趣，共同提高工厂电机设计水平。*DIM（定义批参数矩阵）