电机电磁场的仿真分析

1、电机电磁场的仿真分析电机电磁场的仿真分析 ANSYS软件应用软件应用电机电磁场的仿真分析电机电磁场的仿真分析l电机内的电磁场电机内的电磁场lANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介l一个应用实例一个应用实例电机内的电磁场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：（分为：（1 1）气隙磁场；（）气隙磁场；（2 2）凸极同步电机磁极间的漏磁场）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；（或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场；（3 3）槽内漏磁场；）槽内漏磁场；（4 4）绕组端部电磁场；（）绕组端部电

2、磁场；（5 5）铁心中的磁场；（）铁心中的磁场；（6 6）实心转）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：分为：（1 1）恒定磁场；（）恒定磁场；（2 2）时变电磁场。）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，

3、属于似稳电磁场场频率很低，因此位移电流可以忽略不计，属于似稳电磁场的范畴。的范畴。 电机电磁场的理论基础电机电磁场的理论基础电机中的一切电磁过程都可以从电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组出发进行分析。出发进行分析。 lssDH dlJ dsdstDHJtlsBE dldstt BEt vsvD dsdvvD0sB ds 0B名称名称积分形式积分形式微分形式微分形式全电流定律全电流定律电磁感应定律电磁感应定律高斯定律高斯定律磁通连续性定律磁通连续性定律电机电磁场的理论基础电机电磁场的理论基础电机中的电磁力：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感应电

4、动电机中切向电磁力所形成的电磁力矩和电枢绕组中的感应电动势，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：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，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：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，相应的边密度是边密度是 , ,而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是 ，则总，则总的力密度是的力密度是在电机中计算磁场力时，通常可以把在电机中计算磁场力时，通常可以把

5、忽略掉。忽略掉。 lFidlB(1)(2)212rfffJBB(1)f(2)f(2)f电机电磁场的理论基础电机电磁场的理论基础结构方程：结构方程：表示场量之间关系的结构方程有：表示场量之间关系的结构方程有：它表明了电磁性能关系，它表明了电磁性能关系， 分别为电容分别为电容率、电导率和磁导率。对于线性媒质，它们是常率、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。数；对于非线性媒质，它们随场强的变化而变化。,DEJEBH, 电机电磁场的理论基础电机电磁场的理论基础边界条件：边界条件：电机电磁场问题中，边界条件一般有一类、二类及周期电机电磁场问题中，边界条件一般

6、有一类、二类及周期性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。l第一类边界条件：用标量位第一类边界条件：用标量位 求解时，边界上求解时，边界上 为已知为已知值，即值，即这时，边界上磁场强度的切向分量这时，边界上磁场强度的切向分量 为已知。当用矢量为已知。当用矢量磁位磁位 求解时，边界上为已知值，即求解时，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。由于磁力线这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线即等即等 线，常可选择一条磁力线作为边界。恒定场中还可令线，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

7、中，往往在其为参考位（某一常数值或零）。在似稳交变场中，往往在给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。 CtHAACA电机电磁场的理论基础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第二类边界条件：即边界上的求解量法向导数已知。用已知。用 求解时求解时即磁场强度法向分量即磁场强度法向分量 已知。用已知。用 求解时，则求解时，则l周期性边界条件：由于电机旋转磁场呈周期性周期性边界条件：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。分布，在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。CnnHAACn电机电磁场的理论基础电机

8、电磁场的理论基础l交界条件：电机常常由多层介质组成，两介质交界交界条件：电机常常由多层介质组成，两介质交界面应满足下列条件：面应满足下列条件：电场强度切向分量相等，即电场强度切向分量相等，即 ； 电流密度法向分量相等，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，交界面上无面电流层时，磁场强度的切向分量相等，即即 ；如果有面电流存在，则根据全电流定律，；如果有面电流存在，则根据全电流定律，可得可得 ；磁通密度的法向分量相等，即磁通密度的法向分量相等，即 ；矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足 。12ttEE12nnJJ12ttH

9、H12ttHHJ12nnBB12ttAA电机电磁场的理论基础电机电磁场的理论基础非线性问题：非线性问题：研究电磁场问题时，媒质的电磁性能参数研究电磁场问题时，媒质的电磁性能参数 可能跟着场强变化而变化。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，在磁场中，铁磁物质的磁化特性呈非线性关系，磁导率磁导率 是磁场强度或磁通密度的函数。是磁场强度或磁通密度的函数。在研究涡流问题时，导电媒质的电导率在研究涡流问题时，导电媒质的电导率 是随是随着着 的值变化而变化，使的值变化而变化，使 呈现非线性，此呈现非线性，此时都应分别满足准涡流方程。时都应分别满足准涡流方程。, ,E JJEA

10、NSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介ANSYSANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组导出，导出，计算的主要未知量（自由度）是计算的主要未知量（自由度）是磁势或磁通量磁势或磁通量，其它磁场量则由这些自由度得来。其它磁场量则由这些自由度得来。ANSYSANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达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，材料的方式，包括各向同性或各向异性的线性磁导率，材料的B-HB-H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显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

11、通密度和磁场强度，并可以进行力、力矩、示磁力线、磁通密度和磁场强度，并可以进行力、力矩、源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介ANSYSANSYS程序的电场分析功能可用于研究电场三个方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、电通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电

12、流以及电势降等。流以及电势降等。ANSYSANSYS程序进行电磁场分析的另一优点是耦合场分程序进行电磁场分析的另一优点是耦合场分析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、析功能。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。运动的影响。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介ANSYSANSYS程序中磁场分析的类型：程序中磁场分析的类型：l2-D2-D（3-D3-D）静态磁场分析：分析直流电或

13、永磁体所产）静态磁场分析：分析直流电或永磁体所产生的磁场。生的磁场。l2-D2-D（3-D3-D）谐波磁场分析：分析低频交流电流或交流）谐波磁场分析：分析低频交流电流或交流电压所产生的磁场。电压所产生的磁场。l2-D2-D（3-D3-D）瞬态磁场分析：分析随时间任意变化的电）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。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）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。等问题由于其结构复

14、杂则应采用三维场分析。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介电磁场的源电磁场的源：电流、外加磁场、永磁体：电流、外加磁场、永磁体在电磁场分析中要计算的量在电磁场分析中要计算的量：磁通密度、磁场强度、磁力及：磁通密度、磁场强度、磁力及磁矩、阻抗、电感、能量损耗等磁矩、阻抗、电感、能量损耗等电磁场单元电磁场单元：PLANE13PLANE13、PLANE53PLANE53、CIRCU124CIRCU124、SOLID96SOLID96、SOLID97SOLID97、PLANE121PLANE121、INFIN9INFIN9等。等。电磁场分析的步骤电磁场分析的步骤：创建物理环境；创建物理环境

15、；建立模型，划分网格，赋予特性；建立模型，划分网格，赋予特性；加边界条件和载荷；加边界条件和载荷；求解；求解；后处理（查看计算结果）。后处理（查看计算结果）。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介ANSYSANSYS软件提供了两种工作模式，即人机交互软件提供了两种工作模式，即人机交互方式（方式（GUIGUI方式）和命令流输入方式（方式）和命令流输入方式（BATCHBATCH方方式）。式）。APDLAPDL是是ANSYSANSYS参数化设计的语言，它是一门可参数化设计的语言，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

16、型的脚本语言，用建立智能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化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程。程。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介创建物理环境：创建物理环境：l/TITLE：定义分析标题：定义分析标题l/UNIT：定义单位制：定义单位制lET或或KEYOPT：说明单元类型及其选项：说明单元类型及其选项lLOCAL：定义单元坐标系：定义单元坐标系lMP：定义线性材料特性：定义线性材料特性lMPREAD：对导磁材料导入：对导磁材料导入B-H曲线曲线lR：定义实常数。可用来定义绞线圈的几何形状、：定义实常数。可用来定义绞线圈

17、的几何形状、绕组特性以及描述速度效应等。绕组特性以及描述速度效应等。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介建立模型过程中要注意的问题：建立模型过程中要注意的问题：l注意单位；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；该面的线和关键点；l一定要在定义完材料特性，实常数、单元类型和一定要在定义完材料特性，实常数、单元类型和单元坐标系后才能划分网格；单元坐标系后才能划分网格；l充分利用对称性，这样只需对一部分设备建模。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对称性分为磁力线平

18、行，磁力线垂直和周期性对称。称。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介加边界条件和载荷：加边界条件和载荷：既可以给实体模型（关键点、线、面）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。也可以给有限元模型（节点和单元）加边界条件和载荷。边界条件边界条件AZAZ值值磁力线垂直磁力线垂直不需要（自然发生）不需要（自然发生）磁力线平行磁力线平行说明说明AZ=0AZ=0，用，用D D命令或命令或GUIGUI路径操作路径操作远场远场用远场单元用远场单元INFIN9INFIN9和和INFIN110INFIN110周期性周期性用用PERBC2DPERBC2D宏

19、在节点上创建奇对称可偶对称周期性边宏在节点上创建奇对称可偶对称周期性边界条件，或用界条件，或用GUIGUI路径操作路径操作外加磁场外加磁场令令AZAZ等于一非零值，或用等于一非零值，或用GUIGUI路径操作路径操作ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介加载荷：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；相位角即为载和工作频率。幅值即为所加载荷的最大值；相位角即为载荷落后于参考的时间，只有存在

20、着多个彼此不同相的载荷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。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。在域的节点电流载荷，代表通过导体的总的电流值。在2-D分分析中，这种载荷要求析中，这种载荷要求PLANE13和和PLANE53单元的自由度单元的自由度为为AZ和和VOLT。要想给涡流效应的横截面上加均匀电流，必。要想给涡流效应的横截面上加均匀电流，必须耦合横截面上的须耦合横截面上的VOLT自由度。自由

21、度。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介求解：求解：/SOLU/SOLU：进入求解器；：进入求解器；/ANTYPE/ANTYPE：说明分析类型；：说明分析类型；对于非线性分析，采用二步求解程序：对于非线性分析，采用二步求解程序：在前面在前面3 3到到5 5子载荷步内让载荷斜坡变化，每一子步只子载荷步内让载荷斜坡变化，每一子步只有一个平衡迭代。有一个平衡迭代。计算最后解一个子步，有计算最后解一个子步，有5 5到到1010次平衡迭代。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，可使用析时，可使用/GST/GST命令打开图形求

22、解跟踪，以了解命令打开图形求解跟踪，以了解求解收敛情况。求解收敛情况。ANSYSANSYS电磁场分析简介电磁场分析简介注意：求解时，源电流的频率应加转差频率注意：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。静止状态。 对转子而言，转子静止、定子上施加一组转差对转子而言，转子静止、定子上施加一组转差频率的三相正序电流，与转子以转差速度旋转、定频率的三相正序电流，与转子以转差速度