电机电磁场的仿真分析

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1、电 机 电 磁 场 的 仿 真 分 析 ANSYS软 件 应 用 电 机 电 磁 场 的 仿 真 分 析l 电 机 内 的 电 磁 场l ANSYS电 磁 场 分 析 简 介l 一 个 应 用 实 例 电 机 内 的 电 磁 场电 机 内 的 电 磁 场 从 它 的 分 布 区 域 及 其 作 用 来 看 ， 大 致 可分 为 ： （ 1） 气 隙 磁 场 ； （ 2） 凸 极 同 步 电 机 磁 极 间 的 漏 磁 场或 直 流 电 机 主 磁 极 与 换 向 极 间 的 漏 磁 场 ； （ 3） 槽 内 漏 磁 场 ；（ 4） 绕 组 端 部 电 磁 场 ； （ 5） 铁 心 中 的 磁

2、场 ； （ 6） 实 心 转子 中 的 电 磁 场 等 。 按 照 是 否 随 时 间 变 化 ， 电 机 内 的 电 磁 场 可分 为 ： （ 1） 恒 定 磁 场 ； （ 2） 时 变 电 磁 场 。同 步 电 机 的 主 极 磁 场 、 极 间 漏 磁 场 等 属 于 恒 定 磁 场 。 交流 电 机 定 子 槽 内 导 体 的 涡 流 损 耗 、 实 心 转 子 感 应 电 机 内 的 电磁 场 问 题 等 均 属 于 时 变 电 磁 场 问 题 。 由 于 电 机 中 的 交 变 电 磁场 频 率 很 低 ， 因 此 位 移 电 流 可 以 忽 略 不 计 ， 属 于 似 稳 电 磁

3、 场的 范 畴 。 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础电 机 中 的 一 切 电 磁 过 程 都 可 以 从 麦 克 斯 韦 方 程 组 出 发 进 行 分 析 。 l s s DH dl J ds dst DH J t l s BE dl dst t BE t vs vD ds dv vD 0s B ds 0B 名 称 积 分 形 式 微 分 形 式全 电 流 定 律电 磁 感 应 定 律高 斯 定 律磁 通 连 续 性 定 律 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础电 机 中 的 电 磁 力 ：电 机 中 切 向 电 磁 力 所 形 成 的 电 磁 力 矩 和 电 枢 绕 组 中 的

4、感 应 电 动势 ， 是 实 现 机 电 能 量 转 换 的 两 个 基 本 要 素 。 电 机 中 电 磁 力 分 两 类 ：l 载 流 导 体 在 磁 场 内 所 受 到 的 力 。 对 于 长 度 为 的 长 直 载 流 导 线 ，其 力 为 ：l 铁 磁 介 质 在 磁 场 中 受 到 的 力 。 如 果 媒 质 中 有 传 导 电 流 ， 相 应 的边 密 度 是 ,而 非 铁 磁 媒 质 在 磁 场 中 受 力 的 体 密 度 是 ， 则 总的 力 密 度 是在 电 机 中 计 算 磁 场 力 时 ， 通 常 可 以 把 忽 略 掉 。 lF idl B (1) (2) 212rf

5、 f f J B B (1)f (2)f(2)f 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础结 构 方 程 ：表 示 场 量 之 间 关 系 的 结 构 方 程 有 ：它 表 明 了 电 磁 性 能 关 系 ， 分 别 为 电 容率 、 电 导 率 和 磁 导 率 。 对 于 线 性 媒 质 ， 它 们 是 常数 ； 对 于 非 线 性 媒 质 ， 它 们 随 场 强 的 变 化 而 变 化 。, ,D E J E B H , , 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础边 界 条 件 ：电 机 电 磁 场 问 题 中 ， 边 界 条 件 一 般 有 一 类 、 二 类 及 周 期性 边 界 条 件

6、 ， 混 合 的 三 类 边 界 条 件 很 少 遇 到 。l 第 一 类 边 界 条 件 ： 用 标 量 位 求 解 时 ， 边 界 上 为 已 知值 ， 即 这 时 ， 边 界 上 磁 场 强 度 的 切 向 分 量 为 已 知 。 当 用 矢 量磁 位 求 解 时 ， 边 界 上 为 已 知 值 ， 即这 时 ， 边 界 上 磁 通 密 度 的 法 向 分 量 为 已 知 。 由 于 磁 力 线即 等 线 ， 常 可 选 择 一 条 磁 力 线 作 为 边 界 。 恒 定 场 中 还 可 令其 为 参 考 位 （ 某 一 常 数 值 或 零 ） 。 在 似 稳 交 变 场 中 ， 往 往

7、 在给 定 的 周 期 性 条 件 中 实 际 上 已 给 出 参 考 位 点 。 C tHA A C A 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础l 第 二 类 边 界 条 件 ： 即 边 界 上 的 求 解 量 法 向 导 数已 知 。 用 求 解 时即 磁 场 强 度 法 向 分 量 已 知 。 用 求 解 时 ， 则l 周 期 性 边 界 条 件 ： 由 于 电 机 旋 转 磁 场 呈 周 期 性分 布 ， 在 一 对 极 下 电 磁 场 分 布 正 好 是 一 个 周 期 分 布 。 Cn nH AA Cn 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础l 交 界 条 件 ： 电 机 常 常

8、由 多 层 介 质 组 成 ， 两 介 质 交 界面 应 满 足 下 列 条 件 ：电 场 强 度 切 向 分 量 相 等 ， 即 ； 电 流 密 度 法 向 分 量 相 等 ， 即 ；交 界 面 上 无 面 电 流 层 时 ， 磁 场 强 度 的 切 向 分 量 相 等 ，即 ； 如 果 有 面 电 流 存 在 ， 则 根 据 全 电 流 定 律 ，可 得 ；磁 通 密 度 的 法 向 分 量 相 等 ， 即 ；矢 量 磁 位 的 切 线 分 量 连 续 ， 即 交 界 上 满 足 。1 2t tE E 1 2n nJ J1 2t tH H1 2t tH H J 1 2n nB B 1 2t

9、 tA A 电 机 电 磁 场 的 理 论 基 础非 线 性 问 题 ：研 究 电 磁 场 问 题 时 ， 媒 质 的 电 磁 性 能 参 数 可 能 跟 着 场 强 变 化 而 变 化 。在 磁 场 中 ， 铁 磁 物 质 的 磁 化 特 性 呈 非 线 性 关 系 ，磁 导 率 是 磁 场 强 度 或 磁 通 密 度 的 函 数 。在 研 究 涡 流 问 题 时 ， 导 电 媒 质 的 电 导 率 是 随着 的 值 变 化 而 变 化 ， 使 呈 现 非 线 性 ， 此时 都 应 分 别 满 足 准 涡 流 方 程 。 , , ,E J J E ANSYS电 磁 场 分 析 简 介ANSY

10、S磁 场 分 析 的 有 限 元 公 式 是 麦 克 斯 韦 尔 方 程 组导 出 ， 计 算 的 主 要 未 知 量 （ 自 由 度 ） 是 磁 势 或 磁 通 量 ，其 它 磁 场 量 则 由 这 些 自 由 度 得 来 。ANSYS程 序 提 供 了 丰 富 的 线 性 和 非 线 性 材 料 的 表 达方 式 ， 包 括 各 向 同 性 或 各 向 异 性 的 线 性 磁 导 率 ， 材 料 的B-H曲 线 和 永 磁 体 的 退 磁 曲 线 。 后 处 理 功 能 允 许 用 户 显示 磁 力 线 、 磁 通 密 度 和 磁 场 强 度 ， 并 可 以 进 行 力 、 力 矩 、源

11、输 入 能 量 、 感 应 系 数 、 端 电 压 和 其 它 参 数 的 计 算 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介ANSYS程 序 的 电 场 分 析 功 能 可 用 于 研 究 电 场 三 个 方面 的 问 题 ： 电 流 传 导 、 静 电 分 析 和 电 路 分 析 。 感 兴 趣的 典 型 物 理 量 包 括 电 流 密 度 、 电 场 强 度 、 电 势 颁 、 电通 量 密 度 、 传 导 产 生 的 焦 耳 热 、 贮 能 、 力 、 电 容 、 电流 以 及 电 势 降 等 。ANSYS程 序 进 行 电 磁 场 分 析 的 另 一 优 点 是 耦 合 场 分析 功

12、能 。 磁 场 分 析 的 耦 合 场 载 荷 可 被 自 动 耦 合 到 结 构 、流 体 及 热 单 元 上 。 此 外 在 对 电 路 耦 合 器 件 的 电 磁 场 分析 时 ， 电 路 可 被 直 接 耦 合 到 导 体 或 电 源 ， 同 时 也 计 及运 动 的 影 响 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介ANSYS程 序 中 磁 场 分 析 的 类 型 ：l2-D（ 3-D） 静 态 磁 场 分 析 ： 分 析 直 流 电 或 永 磁 体 所 产生 的 磁 场 。l2-D（ 3-D） 谐 波 磁 场 分 析 ： 分 析 低 频 交 流 电 流 或 交 流电 压 所 产 生

13、的 磁 场 。l2-D（ 3-D） 瞬 态 磁 场 分 析 ： 分 析 随 时 间 任 意 变 化 的 电流 或 外 场 所 产 生 的 磁 场 。 电 机 内 的 磁 场 问 题 （ 例 如 气 隙 磁 场 、 槽 内 磁 场 等 ）大 多 可 以 简 化 成 二 维 的 情 况 ， 但 是 对 于 绕 组 端 部 电 磁 场等 问 题 由 于 其 结 构 复 杂 则 应 采 用 三 维 场 分 析 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介电 磁 场 的 源 ： 电 流 、 外 加 磁 场 、 永 磁 体在 电 磁 场 分 析 中 要 计 算 的 量 ： 磁 通 密 度 、 磁 场 强 度

14、、 磁 力 及磁 矩 、 阻 抗 、 电 感 、 能 量 损 耗 等电 磁 场 单 元 ： PLANE13、 PLANE53、 CIRCU124、 SOLID96、SOLID97、 PLANE121、 INFIN9等 。电 磁 场 分 析 的 步 骤 ： 创 建 物 理 环 境 ； 建 立 模 型 ， 划 分 网 格 ， 赋 予 特 性 ； 加 边 界 条 件 和 载 荷 ； 求 解 ； 后 处 理 （ 查 看 计 算 结 果 ） 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介ANSYS软 件 提 供 了 两 种 工 作 模 式 ， 即 人 机 交 互方 式 （ GUI方 式 ） 和 命 令 流 输

15、 入 方 式 （ BATCH方式 ） 。APDL是 ANSYS参 数 化 设 计 的 语 言 ， 它 是 一 门 可用 来 自 动 完 成 有 限 元 常 规 分 析 操 作 或 通 过 参 数 化变 量 方 式 建 立 分 析 模 型 的 脚 本 语 言 ， 用 建 立 智 能化 分 析 的 手 段 为 用 户 提 供 自 动 完 成 有 限 元 分 析 过程 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介创 建 物 理 环 境 ：l /TITLE： 定 义 分 析 标 题l /UNIT： 定 义 单 位 制l ET或 KEYOPT： 说 明 单 元 类 型 及 其 选 项l LOCAL： 定 义

16、 单 元 坐 标 系l MP： 定 义 线 性 材 料 特 性l MPREAD： 对 导 磁 材 料 导 入 B-H曲 线l R： 定 义 实 常 数 。 可 用 来 定 义 绞 线 圈 的 几 何 形 状 、绕 组 特 性 以 及 描 述 速 度 效 应 等 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介建 立 模 型 过 程 中 要 注 意 的 问 题 ：l 注 意 单 位 ；l 建 模 过 程 中 删 除 了 面 后 ， 确 保 相 应 地 删 除 了 组 成该 面 的 线 和 关 键 点 ；l 一 定 要 在 定 义 完 材 料 特 性 ， 实 常 数 、 单 元 类 型 和单 元 坐 标

17、系 后 才 能 划 分 网 格 ；l 充 分 利 用 对 称 性 ， 这 样 只 需 对 一 部 分 设 备 建 模 。对 称 性 分 为 磁 力 线 平 行 ， 磁 力 线 垂 直 和 周 期 性 对称 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介加 边 界 条 件 和 载 荷 ： 既 可 以 给 实 体 模 型 （ 关 键 点 、 线 、 面 ）也 可 以 给 有 限 元 模 型 （ 节 点 和 单 元 ） 加 边 界 条 件 和 载 荷 。边 界 条 件 AZ值磁 力 线 垂 直 不 需 要 （ 自 然 发 生 ）磁 力 线 平 行 说 明 AZ=0， 用 D命 令 或 GUI路 径 操 作

18、远 场 用 远 场 单 元 INFIN9和 INFIN110周 期 性 用 PERBC2D宏 在 节 点 上 创 建 奇 对 称 可 偶 对 称 周 期 性 边界 条 件 ， 或 用 GUI路 径 操 作外 加 磁 场 令 AZ等 于 一 非 零 值 ， 或 用 GUI路 径 操 作 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介加 载 荷 ： 对 于 谐 性 场 ， 谐 波 载 荷 假 定 任 何 外 加 载 荷 都 是 随 时 间呈 谐 波 （ 正 弦 ） 变 化 的 ， 这 样 的 载 荷 要 说 明 幅 值 、 相 位 角和 工 作 频 率 。 幅 值 即 为 所 加 载 荷 的 最 大 值 ；

19、 相 位 角 即 为 载荷 落 后 于 参 考 的 时 间 ， 只 有 存 在 着 多 个 彼 此 不 同 相 的 载 荷时 才 需 用 到 相 位 角 。 工 作 频 率 就 是 交 流 电 的 频 率 。 给 块 状 导 体 加 电 流 ， 是 加 给 带 有 强 加 电 流 的 块 导 体 区域 的 节 点 电 流 载 荷 ， 代 表 通 过 导 体 的 总 的 电 流 值 。 在 2-D分析 中 ， 这 种 载 荷 要 求 PLANE13和 PLANE53单 元 的 自 由 度为 AZ和 VOLT。 要 想 给 涡 流 效 应 的 横 截 面 上 加 均 匀 电 流 ， 必须 耦 合

20、横 截 面 上 的 VOLT自 由 度 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介求 解 ：/SOLU： 进 入 求 解 器 ；/ANTYPE： 说 明 分 析 类 型 ；对 于 非 线 性 分 析 ， 采 用 二 步 求 解 程 序 ： 在 前 面 3到 5子 载 荷 步 内 让 载 荷 斜 坡 变 化 ， 每 一 子 步 只有 一 个 平 衡 迭 代 。 计 算 最 后 解 一 个 子 步 ， 有 5到 10次 平 衡 迭 代 。非 线 性 求 解 收 敛 性 图 形 跟 踪 ： 当 进 行 非 线 性 电 磁 分析 时 ， 可 使 用 /GST命 令 打 开 图 形 求 解 跟 踪 ， 以

21、 了 解求 解 收 敛 情 况 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介注 意 ： 求 解 时 ， 源 电 流 的 频 率 应 加 转 差 频 率 实 际 运 行 时 ， 转 子 在 旋 转 ， 定 、 转 子 电 流 的 频率 互 不 相 同 ， 它 们 的 磁 场 难 于 进 行 统 一 的 计 算 。 另外 ， 由 于 定 、 转 子 之 间 具 有 相 对 运 行 ， 亦 较 难 进 行网 格 剖 分 。 为 此 可 将 实 际 的 旋 转 状 态 转 化 为 等 效 的静 止 状 态 。 对 转 子 而 言 ， 转 子 静 止 、 定 子 上 施 加 一 组 转 差频 率 的 三 相

22、 正 序 电 流 ， 与 转 子 以 转 差 速 度 旋 转 、 定子 上 施 加 一 组 基 频 三 相 正 序 电 流 ， 两 者 是 等 效 的 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介后 处 理 ：磁 力 线 ： PLF2D等 值 线 ： PLNSOL， PLESOL矢 量 显 示 ： PLVECT， PRVECT 查 看 一 些 矢 量 （ 如 B， H）的 大 小 和 方 向 。列 表 显 示 ： PRESOL， PRNSOL， PRSOL沿 路 径 显 示 ： PATH， PPATH， PDEF， PRPATH线 圈 电 阻 及 电 感 ： 可 以 计 算 载 压 或 载 流 绞

23、 线 型 线 圈 的 电 阻及 电 感 。 每 个 单 元 中 都 有 线 圈 的 电 阻 及 电 感 值 ， 求 和 即 可得 到 导 体 建 模 区 的 总 电 阻 及 电 感 。 ANSYS电 磁 场 分 析 简 介利 用 宏 命 令 计 算 其 它 我 们 感 兴 趣 的 项 ：l CURR2D： 计 算 导 体 中 的 电 流l EMAGERR： 计 算 静 电 场 或 静 磁 场 分 析 中 的 相 对 误 差l FLUXV： 计 算 通 过 闭 合 回 路 的 磁 通 量l FMAGSUM： 计 算 作 用 到 单 元 组 元 上 的 合 力l FOR2D： 计 算 作 用 到 导 体 上 的 磁 力l MMF： 计 算 沿 某 指 定 路 径 的 电 动 势 降l PLF2D： 生 成 等 势 线l SENERGY： 计 算 模 型 中 的 磁 场 贮 能 和 共 能 l SRCS： 计 算 绞 线 型 线 圈 的 端 参 数l TORQ2D： 计 算 磁 场 作 用 到 导 体 上 的 扭 矩