教育资料（2021-2022年收藏的）有限元的分析软件Ansoft在电机领域中应用

1、-WORD格式-可编辑-有限元分析软件Ansoft在电机领域中的应用一 ansoft软件各模块的简单介绍1 RMxprt该软件用于探索电机设计空间、快速确定设计方案，并能进行优化设计它已经可以进行十三种电机类型的设计：三相感应电机单相感应电机永磁无刷直流电机永磁直流电机通用电机开关磁阻电机调速运行永磁同步电机自起动三相永磁同步电机三相同步电机三相同步发电机永磁同步发电机特点：ü 向导式介面，参数化输入: 工作条件,几何尺寸, 材料特性ü 基于磁网路法 的快速解析分析ü 详细的结果输出：图形和表格ü 利用对称条件生成最小有限元分析模型，用于电机动态过程详细

2、有限元分析ü 参数化设计能力：尺寸、材料等无需指定。可用一定变化范围的变量表示ü 优化设计功能ü 求解时考虑材料非线性b h特性ü 自动设计功能: 槽型设计和线规选择ü 提供丰富的预设计电机模型库ü 输入数据自动验证ü 提供美国、中国材料库和公制、英制尺寸ü 针对电机种类的多种绕组型式和用户定义绕组连接方式ü 多种负栽种类: 恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵ü 三维斜槽和端部效应ü 无刷电机、开关磁阻电机、永磁同步电机驱动线路类型、控制方式选择和开关管参数设定2. Maxwell 2D

3、 二维电磁场、温度场，瞬态场分析软件，Maxwell® 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。3. Maxwell 3D 包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损耗计算和热分析模块，其核心是针对三维电磁场分析而优化的有限元技术。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得Maxwell 3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)

4、、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。4. Optimetrics Optimetrics是Maxwell 3D的选件模块，用于优化、参数分析和敏感性分析。Optimetrics为设计者评估特定参数和目标函数之间关系最终进行装置优化提供了有力工具。采用宏功能，仿真过程中可以对形状、激励/边界条件、频率等进行参数分析优化。 OPTIMETRICS是绝佳的参数化和优化引擎，它可让用户从一非常简洁易用的界面执行参数分析、敏感性分析、优化和其他许多设计研究。OPTIMETRICS模块驱动ANSOFT的电磁场解算器

5、，使工程师们能用精确电磁场仿真来设计电子器件和产品。采用OPTIMETRICS，就可以很快很轻易地执行大量的设计变量、优化器件，并自动进行实验设计研究来推导出敏感性和不确定性与制造容差之间的函数关系。  OPTIMETRICS自动产生和修改宏。用户建立一个项目并定义要改变的独立参数。宏编辑器模块自动解释宏文本中的特显行，使用户可定义独立变量，然后用户再定义在参数分析中需计算的非独立变量，或在优化中需最小化的COST函数。非独立变量和COST函数在HFSS中可以是任意的计算值：场值、S-参数、频率响应、本征模、阻抗等。HFSS执行所要求的计算，向参数分析提供便利的表格形式的输出，向优化

6、提供最佳的设计要求。报告生成器使用户能绘出参数仿真中独立参数与非独立参数间的关系以及优化中费用函数及其他度量与周期的关系。 5. simplorer二 沈阳ansoft电磁场培训笔记摘要1) RMxprt 笔记摘要其中的periodic 寻找对称周期difference: 定转子相差一定角度2 Maxwell 2D 笔记摘要ü Maxwell2D里面的定义充磁方向问题：径向充磁： assignalign object : 沿物体方向align with a given diretion: 沿与x轴以一定的角度align relative to orientation:角度可

7、以是函数 如OUT=PHI, IN=PHI-180PHI: 物体上的该点与圆心所构成的直线与x轴的夹角。Ansoft里面区分大小写ü Maxwell2D静态分析：Total: 总的电流电压， 100,-100,50,-50在maxwell2d静态分析种可以设定求解变量，在后处理中用的到。Number of required pass: 需要求解的次数。Solve comvergens: 收敛过程Solution matrix: 求解矩阵，如电感矩阵，得到的是单位长度的电感，还要进行计算ü 后处理部分：surface-all 选择mag B : 磁密幅值，上限可以调整B-ve

8、ctor: B矢量ü 在某些曲线上的数据的图形显示这里注意一下后处理中计算器的应用。以及后处理中Macro宏的录制和应用问题。瞬态边界设定：phaseA：激励：电流，电压，外电路(external circuit) 激励可以用Function, 其中P代表电机现在位置，S为转速，T为仿真起始时间Edit/电路编辑器， 电阻，主绕组，漏感， ü 周期边界条件 ： 奇数个极slave= master 偶数个极slave= mastermotion setup： 设定band 边界，内为运动，外为静止band把转子包起来ü 可以设置函数转速：0 30001 30002

9、60003 6000model depth: 轴向长度3Maxwell3D ü ACIS-based Kernel*.sat, *.igs *.stp *.sld *.geo材料参数变化3D solver： 静电场静磁场涡流场温度场瞬态场：电机运动，负载变化，动态过程静电场： 电压电流激励， 标量位 ED力、转矩，储能静磁场： 永磁 直流电流 外部边界上的静态磁场涡流场： 1. 单纯正弦 正弦电流（给幅值） 2. 时变外部激励等瞬态场： 任意电流、电压 外接力、转矩ü 例子：流程 create: namemagneticstaticthermal simulationR 1

10、0H 100036段x=0y=0z=500circle 轴在x轴上R=0Sweep along axiesCircle360移动坐标系solid 分割range 0 刚刚包住求解区域设定材料： backgrand : air中间圆棒： steel圆环： copper边界激励ü 封闭物体加电流方法：先选截面，surfacesection,选YZ面，选物体后，ok, slice,slice1cover lines, 包络线面 slice1加电流后，选face, slice face, 1000A， solid 实心导体strand 多根线plot cutplane set Mag B&#

11、252; 3维Vector B 只在表面画出，磁密可以在体上画出，可以强加边界条件， pick faceü 涡流场分析：将上面的例子中的圆棒材料改为铜，圆环也改为铜，ü 非封闭加电流 注意：加电流的面必须在边界上， pick face: swap direction(转变电流方向) value 10000Aü 3D 瞬态分析的例子3相变压器 face，source, coil terminalboundary, even 磁力线垂直winding setup：voltage , strand, function 1414*sin(360*50*T), voltag

12、e A, total turns 1669等Transient: 瞬态分析电机端部例子主 从 slave 面 原点坐标定子槽上下之间的绝缘，有绝缘边界，槽体也有绝缘导条里电流交变的变化三维带运动ü 爪极发电机 参数化优化设计RMxprt参数设计Input parameters输入变量data sweep t_start t_end previewpostprocessor patameter tableRmxprt优化设计ü Simplorer的部分内容三 ansoft在电机设计分析领域中的应用举例Rmxprt的应用:以2.2kwY系列三相感应电动机为例，界面输入数据入下：

13、General 界面：stator1界面stator2界面rotor1界面：rotor2界面：上面参数输入完毕之后点取analysis /analytical design, 出现提示“Design program ran successfully”后表明分析完毕此时打开Post process/design output程序将给出设计结果：具体数据如下：Three-Phase Induction Motor Design File: c:/pmsm.pjt/3p.pjt/3p.res GENERAL DATA Given Output Power (kW):2.2Rated Voltage

14、(V):380Winding Connection:WyeNumber of Poles:4Given Speed (rpm):1450Frequency (Hz):50Stray Loss (W):22 Friction and Wind Loss (W):22 Type of Load:Constant TorqueIron Core Length (mm): 105Stacking Factor of Iron Core:0.95Type of Steel:D23-50 STATOR DATA Number of Stator Slots:36Outer Diameter of Stat

15、or (mm): 155Inner Diameter of Stator (mm): 98Type of Stator Slot:2Dimension of Stator Slot hs0 (mm): 0.8 hs1 (mm): 0.5 hs2 (mm): 11.1 bs0 (mm): 2.8 bs1 (mm): 4.5 bs2 (mm): 6.6Number of Conductors per Slot:41Number of Parallel Branches:1Number of Wires per Conductor:2Type of Coils:12Coil Pitch:18Wire

16、 Diameter (mm): 0.71Wire Wrap Thickness (mm): 0.05Slot Insulation Thickness (mm): 0.4Top Free Space in Slot (%):0Bottom Free Space in Slot (%):0Conductor Length Adjustment (mm): 15 ROTOR DATA Number of Rotor Slots:32Air Gap (mm): 0.3Inner Diameter of Rotor (mm): 37Type of Rotor Slot:3Dimension of Ro

17、tor Slot hr0 (mm): 0.5 hr01 (mm): 0 hr1 (mm): 1 hr2 (mm): 14.5 br0 (mm): 1 br1 (mm): 4.5 br2 (mm): 2 rr (mm): 0Skew Width (mm): 8.53544Height of End Ring (mm): 15Width of End Ring (mm): 15Resistivity of Rotor Conductor at 75 C (ohm.mm2/m):0.0434 RATED-LOAD OPERATION Stator Resistance (ohm):3.33976St

18、ator Leakage Reactance (ohm):2.87156Rotor Resistance (ohm):2.37048Rotor Leakage Reactance (ohm):3.53671Resistance Corresponding to Iron-Core Loss (ohm):1633.59Magnetizing Reactance (ohm):85.9895Stator Phase Current (A):4.74829Current Corresponding to Iron-Core Loss (A):0.121606Magnetizing Current (A

19、):2.31022Rotor Phase Current (A):3.87539Copper Loss of Stator Winding (W):225.897Copper Loss of Rotor Winding (W):106.804Iron-Core Loss (W):72.4729Friction & Wind Loss (W):22Stray Loss (W):22Input Power (kW):2.62446Output Power (kW):2.17529Mechanical Shaft Torque (N.m):14.5282Efficiency (%):82.8

20、851Power Factor:0.832727Rated Slip:0.0463542Rated Shaft Speed (rpm):1430.47 NO-LOAD OPERATION Stator Resistance (ohm):3.33976Stator Leakage Reactance (ohm):2.87638Rotor Resistance (ohm):2.37023Rotor Leakage Reactance (ohm):3.55801Phase Current (A):2.46662Iron-Core Loss (W):82.2463Input Power (W):187

21、.713Power Factor:0.102073Slip:0.000397066Shaft Speed (rpm):1499.4 BREAK-DOWN OPERATION Break-down Slip:0.43Break-down Torque (N.m):45.5597Break-down Torque Ratio:3.13594 LOCKED-ROTOR OPERATION Locked-rotor Torque (N.m):37.9029Locked-rotor Phase Current (A):29.1697Locked-rotor Torque Ratio:2.60891Loc

22、ked-rotor Current Ratio:6.14319Stator Resistance (ohm):3.33976Stator Leakage Reactance (ohm):2.46194Rotor Resistance (ohm):2.48652Rotor Leakage Reactance (ohm):2.46921 DETAILED DATA AT RATED OPERATION Stator Slot Leakage Reactance (ohm):1.18284Stator End-Winding Leakage Reactance (ohm):1.01125Stator

23、 Differential Leakage Reactance (ohm):0.67747Rotor Slot Leakage Reactance (ohm):1.77539Rotor End-Winding Leakage Reactance (ohm):0.10821Rotor Differential Leakage Reactance (ohm):1.21313Skewing Leakage Reactance (ohm):0.439979Slot Fill Factor (%):76.2888Stator Winding Factor:0.959795Stator-Teeth Flu

24、x Density (Tesla):1.50733Rotor-Teeth Flux Density (Tesla):1.55901Stator-Yoke Flux Density (Tesla):1.39925Rotor-Yoke Flux Density (Tesla):1.36969Air-Gap Flux Density (Tesla):0.694346Stator-Teeth Ampere Turns (A.T):26.0288Rotor-Teeth Ampere Turns (A.T):43.2834Stator-Yoke Ampere Turns (A.T):33.9397Roto

25、r-Yoke Ampere Turns (A.T):8.2077Air-Gap Ampere Turns (A.T):239.784Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Stator Yoke:0.48758Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Rotor Yoke:0.362308Saturation Factor for Teeth:1.28906Saturation Factor for Teeth & Yoke:1.46483Induced-Voltage F

26、actor:0.905474Stator Current Density (A/mm2):5.99654Specific Electric Loading (A/mm):22.764Stator Thermal Load (A2/mm3):136.505Half-Turn Length of Stator Winding (mm): 24.77 WINDING ARRANGEMENTThe 3-phase, 1-layer winding can be arranged in 18 slots as below:AAAZZZBBBXXXCCCYYYAngle per slot (elec. d

27、egrees):20Phase-A axis (elec. degrees):110First slot center (elec. degrees):0 TRANSIENT FEA INPUT DATA For Stator Winding: Number of Turns:246 Parallel Branches:1 Terminal Resistance (ohm):3.33976 End Leakage Inductance (H):0.00321891For Rotor End Ring Between Two Bars of One Side: End Ring Resistan

28、ce (ohm):1.54146e-006 End Ring Inductance (H):1.2414e-009查看电机结构：首先点击tools/options再点击analysis /view geometry在2D modeler中将给出图形：如果将上面的periodic改为1，difference改为30，得到的geometry如图所示创建maxwell2D projectAnalysis/create maxwell2D project在弹出的create Maxwell 2D project窗口中输入工程名和存放工程的路径，例如。点取create以后将出现提示“A Maxwell

29、2D project named fuday1 created”到这里此版本的rmxprt的整个流程完毕。细节问题：1 非线性材料的数据输入问题2 View lamni3 在最新版本中涵盖了参数化设计以及优化设计，4 在最新版本中还有create simplorer project 功能，即产生simplorer里面的有限元部分5 Ansoft有独立于以上版本的optimatrics模块，不过是从此模块中调用maxwell2D,maxwell3D,以及RMxprt下面进入maxwell 2D的使用环节：Maxwell2D Maxwell2D选择工程界面：点取ok以后进入maxwell 2D 主

30、界面：Maxwell 2D 的求解器绘图平面：这里以瞬态场分析为例：点击Define Model下的Draw model显示界面如下：此时是用wire frame形式画出的电机截面图形，下面利用fill solid形式画出具体绘图命令这里不再细讲， 由于此这里进行的是瞬态分析，所以ansoft在定子和转子之间的气隙区域加上了一个band, 即运动边界如图所示：退出后可以对图中画出的多个对象进行分组：下面是给各对象定义材料：ansoft支持自己设定材料，并且可以保存在数据库中这里需要注意的几点问题：1一定要注意，background的材料定义为air2.shaft的材料定义为空气3.band的材

31、料定义为air退出setup material后进入setup boundary/source环节：定义电压源（或电流源）其中单击option按钮出现的对话框为：单击function出现的对话框为： 另外，这里支持条件表达式，点击左下角的help按钮将出现提示对话框如下：由于前面选择的是绞线型，所以这里还要对“winding”进行设置端部连接的设定：端部连接设定完之后退出“setup boundary/source”环节，进入“Setup option”环节点击setup option/option出现的界面为：自己定义网格剖分，电机mannual mesh：将出现提示框：选择“是”，即手工创建网格，自己调整网格 程序默认的网格剖分网格细化问题：如果对某部分区域的网格不满意，可以进行网格细化例如：1） 利用area选择区域细化 细化后的网格如图所示： 利用area选择整个电机区域以后的细化2） 另外还可以根据需要，对具体的对象进行细化，如对定子进行细化网格图形对比： 程序默认的网格剖分