有限元的分析软件Ansoft在电机领域中应用

1、-WORDB式一可编辑-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：向导式介面，参数化输入：工作条件，几何尺寸，材料特性基于磁网路法 的快速解析分析详细的结果输出：图形和表格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有限元分析参数化设计能力：尺寸、材料等无需指定。可用一定变化

2、范围的变量表示优化设计功能求解时考虑材料非线性 b - h特性自动设计功能：槽型设计和线规选择提供丰富的预设计电机模型库输入数据自动验证提供美国、中国材料库和公制、英制尺寸针对电机种类的多种绕组型式和用户定义绕组连接方式多种负栽种类：恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵三维斜槽和端部效应无刷电机、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

3、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Maxwell3D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）、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. OptimetricsOptimetrics是Maxwell 3D的选件模块，用于优化、参数分析和敏

4、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。OPTIMETRIC祸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。OPTIMETRICS1块驱动ANSOFT勺电磁场解算器，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

5、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!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。HFSSa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

6、周期difference:定转子相差一定角度2 . Maxwell 2D笔记摘要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 轴以定的角度align relative to orientation:角度可以是函数如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Maxwell2D静态分析：Total:总的电流电压， 100,-100,50,-50在maxwe112d静态分析种可以设定求解变量，在后处理中用的

7、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，还要进行计算后处理部分：surface-all 选择mag B :磁密幅值，上限可以调整B-vector: B 矢量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，

8、电阻，主绕组，漏感，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把转子包起来可以设置函数转速：030001 30002 60003 6000model depth: 轴向长度3. Maxwell3DACIS-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

9、：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、转矩例子：流程 create: namemagneticstaticthermal simulationR 10H 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

10、,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 B3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 face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，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 10000A3D瞬态分析的例子3 相变压器face, source, coil terminalboundary, even 磁力线垂直winding set

11、up : voltage , strand, function 1414*sin(360*50*T), voltage 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爪极发电机参数化优化设计RMxprt参数设计Input parameters输入变量previewdata sweep t_start t_endpostprocessorpatameter tableRmxprt优化设计Simplorer的部分内容三 ansoft在电机设计分析领域中的应用举

12、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：General 界面：statorl 界面stator2 界面roton界面:G«n«r£L | Stitorl St*tcr2RotarZ Air Cap Gnfli)|0.3Inner Diancter QnO ；13TNumbar of Slots；区Slot TypeSlot Dimenii cm (mm)：Br2：Rr：H?3:Br3;晚4:rotor2 界面:d.Sthtfrrl I stator slot pitch 1 rotor ilot pitch OtherEnd

13、-Ring Hei ght Qm):15上面参数输入完毕之后点取 analysis /analytical design,File Vi ew iMateri als1 Post Froc#EE Tools Help圄。1昌1曾吃1Analytical Desipi|Tltree-P/tase InduView Geometry匚广电ate Maxdl, 2D Fr &j ct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：Ipesign Outpu

14、tSIThree-Pfiase Induction Motor Design4File: cVpmsfn. pjt/3p. pj|t/3p. resGENERAL DATAGiven Output Rower (kW:Rated Vohige (V):Winding CcnnectioncNumber of Poles:Given Speedrpm:Frequency (Hz).Stray Logs (W):Friction and Wind Lo4s WtType uf Load：Iron Core Lenglh m时Stacking Factor 3 Iron Core:Typt of S

15、teel:2.2390 Wye 4 1490502222Constant T orque 1060.95 D 2350STATOR DATANumber ol Stator Slots：Outer Diameter erf 5t忒or nwnj; Innei Diameter of Stator (nnm):Type of Stator Sbt:3&155932Exi t 0Print具体数据如下：Three-Phase Induction Motor DesignFile: c:/pmsm.pjt/3p.pjt/3p.resGENERAL DATAGiven Output Power

16、 (kW):2.2Rated Voltage (V): 380Winding Connection:WyeNumber of Poles: 4Given Speed (rpm):1450Frequency (Hz):50Stray Loss (W):22Friction and Wind Loss (W):22Type of Load:Constant TorqueIron Core Length (mm):105Stacking Factor of Iron Core:0.95Type of Steel:D23-50STATOR DATANumber of Stator Slots: 36O

17、uter Diameter of Stator (mm):155Inner Diameter of Stator (mm):98Type of Stator Slot:2Dimension of Stator Sloths0 (mm):0.8hs1 (mm):0.5hs2 (mm):11.1bs0 (mm):2.8bs1 (mm):4.5bs2 (mm):6.6Number of Conductors per Slot: 41Number of Parallel Branches: 1Number of Wires per Conductor:2Type of Coils:12Coil Pit

18、ch: 18Wire 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):15ROTOR DATANumber of Rotor Slots: 32Air Gap (mm):0.3Inner Diameter of Rotor (mm):37Type of Rotor Slot: 3 Dimension

19、 of Rotor Slothr0 (mm):0.5hr01 (mm):0hr1 (mm):1hr2 (mm):14.5br0 (mm):1br1 (mm):4.5br2 (mm):2rr (mm):0Skew Width (mm):8.53544Height of End Ring (mm):15Width of End Ring (mm):15Resistivity of Rotor Conductorat 75 C (ohm.mmA2/m):0.0434RATED-LOAD OPERATIONStator Resistance (ohm): 3.33976Stator Leakage R

20、eactance (ohm): 2.87156Rotor Resistance (ohm): 2.37048Rotor Leakage Reactance (ohm): 3.53671Resistance Corresponding toIron-Core Loss (ohm): 1633.59-WORDB式一可编辑-Magnetizing Reactance (ohm): 85.9895Stator Phase Current (A): 4.74829Current Corresponding toIron-Core Loss (A):0.121606Magnetizing Current

21、(A): 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 (%

22、):82.8851Power Factor:0.832727Rated Slip: 0.0463542Rated Shaft Speed (rpm): 1430.47NO-LOAD OPERATIONStator 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 Po

23、wer (W): 187.713Power Factor:0.102073Slip: 0.000397066Shaft Speed (rpm): 1499.4BREAK-DOWN OPERATIONBreak-down Slip: 0.43Break-down Torque (N.m):45.5597Break-down Torque Ratio:3.13594LOCKED-ROTOR OPERATIONLocked-rotor Torque (N.m):37.9029Locked-rotor Torque Ratio:2.60891Locked-rotor Current Ratio:6.1

24、4319Stator Resistance (ohm): 3.33976Stator Leakage Reactance (ohm): 2.46194Rotor Resistance (ohm): 2.48652Rotor Leakage Reactance (ohm): 2.46921DETAILED DATA AT RATED OPERATIONStator Slot Leakage Reactance (ohm):1.18284Stator End-Winding LeakageReactance (ohm):1.01125Stator Differential LeakageReact

25、ance (ohm):0.67747Rotor Slot Leakage Reactance (ohm):1.77539Rotor End-Winding LeakageReactance (ohm): 0.10821Rotor Differential LeakageReactance (ohm): 1.21313Skewing Leakage Reactance (ohm): 0.439979Slot Fill Factor (%):76.2888Stator Winding Factor: 0.959795Stator-Teeth Flux Density (Tesla): 1.5073

26、3Rotor-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):33.9397Rotor-Yoke Ampere Turns (A.

27、T):8.2077Air-Gap Ampere Turns (A.T): 239.784Correction Factor for MagneticCircuit Length of Stator Yoke:0.48758Correction Factor for MagneticCircuit Length of Rotor Yoke:0.362308Saturation Factor for Teeth: 1.28906Saturation Factor for Teeth & Yoke: 1.46483Induced-Voltage Factor: 0.905474Stator

28、Current Density (A/mmA2):5.99654-WORDB式一可编辑-Specific Electric Loading (A/mm):22.764Stator Thermal Load (AA2/mmA3):136.505Half-Turn Length ofStator Winding (mm):24.77WINDING ARRANGEMENTThe 3-phase, 1-layer winding can be arranged in 18 slots as below:AAAZZZBBBXXXCCCYYYAngle per slot (elec. degrees):

29、20Phase-A axis (elec. degrees): 110First slot center (elec. degrees):0TRANSIENT FEA INPUT DATAFor Stator Winding:Number of Turns:246Parallel Branches:1Terminal Resistance (ohm): 3.33976End Leakage Inductance (H): 0.00321891For Rotor End Ring Between Two Bars of One Side:End Ring Resistance (ohm): 1.

30、54146e-006End 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 projectFast Prcctss Tools HelpAnalytical 西Eile Vi ew Mteri alsThree-Phase InduView Geometr

31、yCreate Maxwell 2D 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 2D project named fudayl created到这里此版本的rmxprt的整个流程完毕。细节问题:非线性材料的数据输入问题2.View lamniFi 1 e Vi M ati als Analysi sTools Help自旧|昌|曾吃| _eJm SThree-Phase Induction M(View LarninationHi 电w binding Lay

32、outDesi gn OutputPerformance Curves3 .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:Maxwell2DMaxwell2D选择工程界面:点取ok以后进入maxwell 2D 主界面:Maxwell 2D的求解器Sclver:Drawing:TransientEl

33、ectrotaticM右部白tost白ti uEddy Current 静电场静磁场祸流场SeDC Conducti onAC Cbnduutig _Eddy Axi al Transient瞬态场绘图平面:rawing:d PlaneXY平面RZ平面这里以瞬态场分析为例:define KcdeL-工3.Gr oup Object 雪-一Ihr&w Model.画出模型为模型中的对组点击 Define Model 下的 Draw model显示界面如下:2D lodeler ,迎旷此时是用 wire frame形式画出的电机截面图形，下面利用fill solid形式画出KakwsLI

34、2D Field SifluLareif Ve£5la* 7,0.09 Cepyrlght 15E4-L99'9 名 CeirpeiEA&ienq口P 心旦I! | rnrrss - SKAJTO： grid vertesfiH5cift_tr*. . f：之£ -画闺Us 63K (cmd. .iHixifrell 2D.孰 N nlel er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：utrizs："iHiiffell 2D.£D Heeler

35、2D ladfllei T3p5*Idle 巽it口awiiulisftdfiw H*3EeiEer»侬苒r退出后可以对图中画出的多个对象进行分组:卜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A12_O3_cE：ramieEzterE-al(LockjiAlfExternal3田AIrlimSExtErnal(Laclc|iAln-icoSExtErnal(Lo田BI_3y3E3：flExternal口 10Be_OExtErnal(LackliCeraniiESExternal3阳CeramiceDExternal(Lock|iFR4_epsi&qu

36、ot;External(Lock|iFeLocalNdFe3DExternal(Lact|iC«riv+ st«l_100e 广 Perfect Conducter ilnisotrcpic Mater歹 NonLinEar Material非线性材料ExitEi这里需要注意的几点问题:1. 一定要注意，background的材料定义为 airRei. Fernieability (Mu CcnductivityMag4 Coercivity (HeMag. Retentivity (BrMagnetization Kpj3iezEns/meter aoipere/jiie

37、ter tesla anpere/nieterFuzictLcns- - *2.shaft的材料定义为空气M Single Select Multiple SeieccObjectMaterial.13.band的材料定义为airIncludsExcludeObjectHazerialAirSapaiiABandsirRot-exFeStiafuairStatorFt皿coppera：ccpperbQcopperbcopper=01copperp：copperI'm： 口 £bes 工 1fllumifluaV*' Siegle SelectBlulclple Sel

38、ect+DeffElect All退出 setup material 后进入 setup boundary/source 环节:KaawsLl 2D Field 51KiiLii.ECir7,0.09 rcpytlgtiE 19E4-L99-9 'CfiltpCiEaslM 7Jb5313637.04517Ene-SE I SKAPIO: V.ftlfEfiK伽修snsatt.tr*. .，； 30 -庖圉fel 的 Gznmk .2.( 口幽通fjiiE . E=曰:1L：3O定义电压源（或电流源）MakwsLI 2D Field SiftuLaEeif Verjla* 7.0.09

39、 Cepyrlght IJE&Tggg Lm力Et Corpfliaaion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:0 12臼力aeLeeted.口口丁。Eatez I SKAKEO： veiEfis* NSD陪7rj 皿xo>Ft_tr35 -画K)fis 46K (cwnJ. . 丁 船、.1 t 二.2. Latcme. .= u 用?离 举 4M 】L :5&端部连接设定完之后退

40、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:A transient solution exists for the current mesh.If v。口 create a msu社 mesh, you will not be able to continue the existing solution.Do you want to create a manual mesh?1选择“是”,即手工创建网格，自己调整网格2D

41、 lashsaker * 3p5*Ikle H4Eh R«fiM 爱嵬的 M«Ip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refin e/area选择的区域细化后的网格如图所示: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定子细化后的网格剖分确定好网格剖分以后，进入motion setup（机械运动设置）设定运动边界以后，点击“ Mechanical setup"，进行机械运动设定，这里设定负载和转动惯量等。以上设定完毕之后进入求解过程Sc I

42、veV Nominal ProblemVariables点击 soke 下的 Nominal problem进入求解过程。后处理求解完毕之后进入后处理模块，点击post process/Fields,进入场分析模块将会弹出Post process saved fields窗口，提示你从求解结果中提取要分析的某时刻的场数据。这里以 0.183 outO.pjt 为例，点击 post process!后进入 2D post processor 界面Post-Process Saved FieldsTime Directory此时只给出了电机截面的wire frame形式，下面画出磁力线分布点击 p

43、ost/plot弹出如图所示的对话框，对应的选择图形中的圆圈区域，2D Feat Processor cratO0HOPLOT MENUValuevaa BLLinSjB VectorH VeCTdtShjadBd.NoraphNoScnti 口力Bi 血口w旦71互-|酮EaergyCoenerApp EgyCancel选好以后，点击左下角的"Execute”, 此时将会画出磁力线分布：下面以画出 B_vector如图所示画出的B Vector为Fluz肥-口口 2 1.1如10口2 7.9 9-616-003 3 .普写QZ5-ti.l427e-0M-4.00721&-0

44、03-1B0a83e-003-i.2QD9e-aa2-l，6GLlfr-QM -2.0012e-0«MaxwellModeM 口UEL1&3GitidKeybomdlEobtl *i 谒翎另外，还可以画出气隙中心线上的磁密分布等,点击 post process/transient data可以画出以下瞬时值曲线：Back EMF 反电势曲线：I回区IPlntjs E；;/:uiJoftl/3p5. pit/IbkeHf. da.tP I ii E Dm I nEll« Vi.«r I««1eM阳皂ICP 匆匆这胸fellELotDot-

45、s11rehbii:匚工，口，工 Ejzyrinlii 1詈"-1汨3 Jjim口" 匚:i工pomiTEin导体电流曲线:FlotDatafill *r 4电 1 口口工屿 hJn"affe l/：l|iEi. |i |1/-i：aml, i. ilalE?回国Conductor current vs timeDoo2DmDooCL5limefsec)FLotDaca VEZSlca Za0s£2 Ecpyrihi: lie41-1991 Szisal-匚0rp口二日工工必绕组电流曲线:fill4电 1 口口工屿 hJn"P ut m - -

46、C :/Mfiaur t 1/ HpEr. |J j 1/tuf f £nt. JhI：5WE 50117 加nW 皿ce5 corce3 EojrcedWinding Current vs Tine<二巨nu2D-20-加Ilime (sec)匚DbHVtldlCQ Z.lCirri-jhi： li4i-19S5 ,3口工： 87口二日工二g转速曲线:PlotData回区Idle 方t* Elsl 工。由f%Ed-P3&dstime (sec)FLDtData versicn 2. D. EZ ：口打工犯lSE4i-1953 knacft Corpora'EioD转矩曲线:PlotDataIdle 方t* Elsl 工。由fPlot s - c:/an5oft pjt/t oraut. dat