Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用

1、Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用在工程電磁場中的應(yīng)用主講人：楊菲Ansoft界面介紹界面介紹圖圖1 Ansoft界面界面永磁同步電機(jī)靜磁場分析永磁同步電機(jī)靜磁場分析 問題描述問題描述 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，由定子鐵心、定子三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，由定子鐵心、定子 繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心組成。電機(jī)定子繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心組成。電機(jī)定子內(nèi)徑、外徑分別為內(nèi)徑、外徑分別為110mm，174mm。極數(shù)。極數(shù)4，定子槽數(shù)，定子槽數(shù)36。一、創(chuàng)建項(xiàng)目一、創(chuàng)建項(xiàng)目1.雙擊圖標(biāo)雙擊圖標(biāo) 打開打開Ansoft軟件。軟件。3.在項(xiàng)目管理窗口右擊，選擇在項(xiàng)目管理窗口右擊，選擇Rename命令，輸入命令，輸入PMSM-

2、Magstatic，如圖，如圖2所示。所示。2.單擊圖標(biāo)，進(jìn)入單擊圖標(biāo)，進(jìn)入2D求解域。求解域。圖圖2 項(xiàng)目文件重命名界面項(xiàng)目文件重命名界面4.單擊圖標(biāo)，在已知目錄下保存文件，其文件名為單擊圖標(biāo)，在已知目錄下保存文件，其文件名為PMSM-Magstatic，如圖，如圖3所示。所示。圖圖3 項(xiàng)目保存目錄對話框項(xiàng)目保存目錄對話框二、構(gòu)建幾何模型二、構(gòu)建幾何模型1.執(zhí)行執(zhí)行Modeler/Units命令，選擇幾何模型的單位為命令，選擇幾何模型的單位為mm。2.建立電機(jī)的定子槽建立電機(jī)的定子槽在屏幕下方的坐標(biāo)對話框中分別輸入線段的起末點(diǎn)位置坐標(biāo)，在屏幕下方的坐標(biāo)對話框中分別輸入線段的起末點(diǎn)位置坐標(biāo)，其

3、點(diǎn)坐標(biāo)分別為（其點(diǎn)坐標(biāo)分別為（-1.25，55.0），（），（-1.25，56.3），（），（-2.5，57.0），（），（-4，74.3），生成電機(jī)半槽部分模型，如圖），生成電機(jī)半槽部分模型，如圖4所所示。示。圖圖4 電機(jī)半槽直線段模型電機(jī)半槽直線段模型3.選擇已建立的線段，執(zhí)行選擇已建立的線段，執(zhí)行Edit/Duplicate/Mirror命令，在命令，在X軸上任取兩點(diǎn)。軸上任取兩點(diǎn)。4. 執(zhí)行執(zhí)行Draw/Arc/Center Point 命令，以（命令，以（0，74.3），）， （-4，74.3），）， （4，74.3）這三點(diǎn)完成定子槽底弧線部分模）這三點(diǎn)完成定子槽底弧線部分模型的建立

4、，如圖型的建立，如圖5所示。所示。圖圖5 槽底弧線及定子槽模型圖槽底弧線及定子槽模型圖5. 執(zhí)行執(zhí)行Edit/Duplicate/Around Axis命令，沿軸復(fù)制，在命令，沿軸復(fù)制，在Axis選擇沿選擇沿z軸復(fù)制，相隔軸復(fù)制，相隔10，進(jìn)行，進(jìn)行36次復(fù)制。如圖次復(fù)制。如圖6-7所示。所示。圖圖7 復(fù)制后的定子槽復(fù)制后的定子槽圖圖6 定子槽復(fù)制對話框定子槽復(fù)制對話框6. 執(zhí)行執(zhí)行Draw/Arc/Center Point命令，以（命令，以（0，0）作為中心原點(diǎn)，）作為中心原點(diǎn)，將各個(gè)定子槽用圓弧連接。按將各個(gè)定子槽用圓弧連接。按Ctrl+A鍵選擇所有物體，執(zhí)行鍵選擇所有物體，執(zhí)行Model

5、er/Boolean/Unite命令，命名為命令，命名為“slot”。操作及模型如。操作及模型如圖圖8所示所示。圖圖8 布爾運(yùn)算后生成電機(jī)定子槽布爾運(yùn)算后生成電機(jī)定子槽7.繪制電機(jī)繞組，繪制電機(jī)繞組， 執(zhí)行執(zhí)行Draw/Line命令，分布輸入（命令，分布輸入（-2，57），（），（-3，74.3），執(zhí)行），執(zhí)行Edit/Duplicate/Mirror命令，然后執(zhí)行命令，然后執(zhí)行Draw/Arc/Center Point命令，以（命令，以（0，74.3）作為中心原點(diǎn)，兩側(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（）作為中心原點(diǎn)，兩側(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（-3，74.3），（），（3，74.3）繪制弧線，并將所有線段閉合連接，執(zhí)行

6、）繪制弧線，并將所有線段閉合連接，執(zhí)行Modeler/Boolean/Unite命令。命令。8.執(zhí)行執(zhí)行Modeler/Surface/Cover Lines，生成一個(gè)面，并改名為，生成一個(gè)面，并改名為“coil”，如圖如圖9所示。所示。圖圖9 單個(gè)定子槽繞組模型單個(gè)定子槽繞組模型9. 執(zhí)行執(zhí)行Edit/Duplicate/Around Axis命令，沿軸復(fù)制，在命令，沿軸復(fù)制，在Axis選擇沿選擇沿z軸復(fù)制，相隔軸復(fù)制，相隔10，進(jìn)行，進(jìn)行36次復(fù)制。如圖次復(fù)制。如圖10所所示。示。圖圖10 定子槽繞組模型定子槽繞組模型10. 創(chuàng)建電機(jī)定子沖片模型。執(zhí)行創(chuàng)建電機(jī)定子沖片模型。執(zhí)行Draw/C

7、ircle命令，原點(diǎn)為（命令，原點(diǎn)為（0，0），半徑為），半徑為87mm，名字為，名字為“stator”。選擇。選擇“slot”，利用，利用Modeler/Surface/Cover Lines生成面。生成面。11.選擇選擇“stator”和和“slot”，執(zhí)行，執(zhí)行Modeler/Boolean/Substract命令。得到定子模型，如圖命令。得到定子模型，如圖11所示。所示。圖圖11 電機(jī)定子沖片模型電機(jī)定子沖片模型12. 創(chuàng)建永磁體。執(zhí)行創(chuàng)建永磁體。執(zhí)行Draw/Line命令，分布輸入（命令，分布輸入（0，49），），（0，54）。選擇該直線，執(zhí)行）。選擇該直線，執(zhí)行Draw/Sweep

8、/Around Axis命令，命令，在在“Sweep Around Axis”對話框中輸入旋轉(zhuǎn)角度為對話框中輸入旋轉(zhuǎn)角度為80 ，并，并改名為改名為“Permant”。13.執(zhí)行執(zhí)行Edit/Duplicate/Around Axis命令，沿軸復(fù)制，在命令，沿軸復(fù)制，在Axis選擇沿選擇沿z軸復(fù)制，相隔軸復(fù)制，相隔90，進(jìn)行，進(jìn)行4次復(fù)制。如圖次復(fù)制。如圖12所示。所示。圖圖12 永磁體模型永磁體模型14. 創(chuàng)建電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片模型。執(zhí)行創(chuàng)建電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片模型。執(zhí)行Draw/Circle命令，原點(diǎn)為命令，原點(diǎn)為（0，0），半徑為），半徑為49mm和和19mm的兩個(gè)圓，名字分別為的兩個(gè)圓，名字分別為“

9、rotor”和和“rotor1”。15.選擇選擇“rotor”和和“rotor1”，執(zhí)行，執(zhí)行Modeler/Boolean/Substract命令，得到電機(jī)模型，如圖命令，得到電機(jī)模型，如圖13所所示。示。16.利用圖標(biāo)利用圖標(biāo) 建立求解區(qū)域建立求解區(qū)域。圖圖13 電機(jī)幾何模型電機(jī)幾何模型材料描述材料描述氣隙的材料屬性為空氣繞組coil的材料屬性為銅定子鐵心和轉(zhuǎn)子的材料屬性為DW465-50，一種電機(jī)常用非線性材料永磁體材料定義為P-Mag，并指定永磁磁極三、材料屬性三、材料屬性1.繞組繞組coil的賦值方法的賦值方法選擇所有選擇所有coil，在工程狀態(tài)欄中，點(diǎn)擊，在工程狀態(tài)欄中，點(diǎn)擊Mat

10、erial，在，在“Select Definition”對話框中，選取對話框中，選取“copper”，如圖，如圖14所示。所示。圖圖14 繞組屬性賦值繞組屬性賦值2.定子和轉(zhuǎn)子的賦值方法與繞組的賦值相同。如圖定子和轉(zhuǎn)子的賦值方法與繞組的賦值相同。如圖15-17所所示。示。圖圖15 添加材料屬性圖添加材料屬性圖圖圖16 添加材料庫添加材料庫圖圖17 材料賦值材料賦值若是需要一種新材料，可以通過輸入其若是需要一種新材料，可以通過輸入其bh曲線進(jìn)行賦值。曲線進(jìn)行賦值。如圖如圖18所示。所示。圖圖18 BH曲線編輯器曲線編輯器3.永磁體的賦值。進(jìn)入材料管理器，單擊永磁體的賦值。進(jìn)入材料管理器，單擊Ad

11、d material按鈕，按鈕，在在Material Name中輸入中輸入P-Mag。在矯頑力。在矯頑力Hc中輸入中輸入-947000，單位為，單位為A/Meter；在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br中輸入中輸入1.25，單位為，單位為tesla，如圖，如圖19所示。所示。圖圖19 永磁材料屬性對話框永磁材料屬性對話框輸入負(fù)值輸入負(fù)值4.建立新的相對坐標(biāo)系統(tǒng)，執(zhí)行建立新的相對坐標(biāo)系統(tǒng)，執(zhí)行Modeler/Coordinate System/Create/Relative Cs/rotated命令，并將名稱改為命令，并將名稱改為N-Pole，如圖所示。按照上述方法分別建立其他三個(gè)相對，如圖所

12、示。按照上述方法分別建立其他三個(gè)相對坐標(biāo)系，名字分別為坐標(biāo)系，名字分別為N-Pole2，S-Pole和和S-Pole2。5.將各個(gè)相對坐標(biāo)系統(tǒng)分別給各個(gè)磁極，如圖將各個(gè)相對坐標(biāo)系統(tǒng)分別給各個(gè)磁極，如圖21所示。所示。圖圖21 永磁體屬性設(shè)置永磁體屬性設(shè)置圖圖20 相對坐標(biāo)系統(tǒng)的建立相對坐標(biāo)系統(tǒng)的建立四、激勵(lì)源與邊界條件定義及加載1.繞組分相，根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)中繞組排列對三相永磁同步電機(jī)定繞組分相，根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)中繞組排列對三相永磁同步電機(jī)定子槽中的繞組進(jìn)行分相，各相正繞組用子槽中的繞組進(jìn)行分相，各相正繞組用“Phase”表示，負(fù)繞表示，負(fù)繞組用組用“Return”表示。按下圖表示。按下圖22所示進(jìn)行

13、分相。所示進(jìn)行分相。圖圖22 電機(jī)繞組分布圖電機(jī)繞組分布圖2.加載電流激勵(lì)源。選擇加載電流激勵(lì)源。選擇“A_Phase”相六個(gè)繞組，執(zhí)行相六個(gè)繞組，執(zhí)行Maxwell 2D/Excitations/Assign/Current命令，如圖命令，如圖22所示。所示。圖圖22 電流源的設(shè)置電流源的設(shè)置3.加載邊界條件。執(zhí)行加載邊界條件。執(zhí)行Edit/Select/Edge命令，選擇定子外圓。執(zhí)行命令，選擇定子外圓。執(zhí)行Maxwell 2D/Boundaries/Assign/Vector Potential命令。命令。圖圖23 位函數(shù)邊界設(shè)置位函數(shù)邊界設(shè)置將選擇物體設(shè)置為將選擇物體設(shè)置為邊邊五、求解

14、選項(xiàng)參數(shù)設(shè)定五、求解選項(xiàng)參數(shù)設(shè)定1.力和力矩的設(shè)置力和力矩的設(shè)置 選取永磁體和轉(zhuǎn)子面，執(zhí)行選取永磁體和轉(zhuǎn)子面，執(zhí)行Maxwell2D/Parameters/Assign/Force或或Torque命令。命令。圖圖24 力和力矩參數(shù)設(shè)置對話框力和力矩參數(shù)設(shè)置對話框2.網(wǎng)格剖分設(shè)置。網(wǎng)格剖分設(shè)置。執(zhí)行執(zhí)行Maxwell 2D/Mesh Operations/Assign/On Selection（或（或Inside Selection、Surface Approximation）命令。）命令。圖圖25 剖分設(shè)置剖分設(shè)置3.求解殘差設(shè)定。求解殘差設(shè)定。執(zhí)行執(zhí)行Maxwell 2D/Analysis

15、Setup/Add Solution setup命令。命令。圖圖26 求解設(shè)置對話框求解設(shè)置對話框4.分析自檢。分析自檢。執(zhí)行執(zhí)行Maxwell 2D/Validation Check命令。命令。圖圖27 自檢過程自檢過程1.自檢完成后，執(zhí)行自檢完成后，執(zhí)行Maxwell 2D/Analysis all命令。命令。圖圖28 求解過程求解過程2. 執(zhí)行執(zhí)行Maxwell 2D/Results/Solution data命令。命令。六、后處理六、后處理圖圖29 解觀察對話框解觀察對話框圖圖27 收斂數(shù)據(jù)信息收斂數(shù)據(jù)信息圖圖28 三角單元與收斂數(shù)據(jù)關(guān)系三角單元與收斂數(shù)據(jù)關(guān)系3. 觀察力和力矩信息。觀

16、察力和力矩信息。圖圖29 力信息力信息圖圖30 力矩信息力矩信息 Maxwell 2D磁場分析時(shí)，Z軸長度是以1m深進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際長度卻是80mm，因此電機(jī)受到的實(shí)際力矩是：Ta=Tdepth=2.26580.08=0.1812644. 觀察剖分信息和剖分圖。執(zhí)行觀察剖分信息和剖分圖。執(zhí)行Maxwell 2D/Fields/Plot mesh命令，顯示電機(jī)模型剖分情況，如圖命令，顯示電機(jī)模型剖分情況，如圖31-32所示。所示。圖圖31 模型剖分統(tǒng)計(jì)信息模型剖分統(tǒng)計(jì)信息圖圖32 模型剖分圖模型剖分圖5. 觀察磁場分布。選擇所有物體，執(zhí)行觀察磁場分布。選擇所有物體，執(zhí)行Maxwell 2D/F

17、ields/Flux lines命令。命令。圖圖33 場圖設(shè)置對話框場圖設(shè)置對話框圖圖34 電機(jī)磁力線分布電機(jī)磁力線分布5. 觀察磁通密度分布。選擇所有物體，執(zhí)行觀察磁通密度分布。選擇所有物體，執(zhí)行Maxwell 2D/Fields/B/Mag_B命令。命令。圖圖35 場圖設(shè)置對話框場圖設(shè)置對話框圖圖36 電機(jī)磁通密度云圖分布電機(jī)磁通密度云圖分布6. 氣隙磁密波形的顯示氣隙磁密波形的顯示 1） 利用圖標(biāo)利用圖標(biāo) 繪制一個(gè)圓點(diǎn)為（繪制一個(gè)圓點(diǎn)為（0，0），半徑為），半徑為54mm的圓的圓形，并改名為形，并改名為“Br1”。 2）選擇）選擇“Br1”，利用圖，利用圖37所示，將面變?yōu)榫€。所示，將面變?yōu)榫€。 3）由圖）由圖38-39所示，得到負(fù)載氣隙磁