maxwell软件-永磁直流电机

1、 永磁直流电动机在用户已经掌握RMxprt的基本使用的基础上，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt的详细介绍请参考第一部分的章节。基本原理对于永磁直流电动机，定子上安装了P对永磁体磁极，N、S极交错排列，产生固定的定子磁场。转子上装有分布绕组，与换向片相连，换向片随着转子一同旋转。电刷组件与换向片始终保持接触，直流电经电刷和换向片流入旋转的电枢绕组时，电枢电流和定子磁场相互作用产生转矩。由于换向器的机械整流作用，电枢绕组产生的转子磁场始终与定子磁场垂直。永磁直流电动机的电压方程为：U=U+RI+Eb1式中Ub为电刷压降，R1电枢绕组电阻反电势方程为E=K3e式中K为反

2、电势系数，单位是Vs/rad,G是转子角速度，单位是rad/s。e当公为常值时，电枢电流按下式确定：,UUK3I=be-R1由于换向器的机械整流的作用，由电枢电流产生的转子磁场始终与定子磁场垂直。因此，在定子磁场和转子磁场的相互作用下产生了电磁转矩：T=KImt式中Kt是转矩系数，单位是Nm/A,数值上与Ke相等。输出转矩为：T=T-T2mfw式中的Tfw为风摩转矩。输出机械功率为：P=T322输入电功率为：P=P+P+P+P+P12fwCuabFe式中的Pfw、PCua、Pb、PFe分别表示风摩损耗、电枢铜损耗、电刷压降损耗和铁心损耗。电机效率为：Pn=fx100%P1主要特点16.2.1支

3、持单叠绕组和复叠绕组设计RMxprt支持叠绕组设计，并能通过下式自动计算并联支路对数。a-mp式中的p为极对数，m为复倍系数。16.2.2支持单波绕组和复波绕组设计RMxprt支持波绕组设计，并能通过下式自动计算并联支路对数。a-m式中m为复倍系数。16.2.3支持虚槽结构设计直流电机的电枢绕组一般为双层绕组。许多情况下，为了简化冲片结构，常把几个线圈边放在同一个槽内，因此槽数Z将比线圈数S少，他们的关系是7SZ日其中U为槽中每一层的线圈边数，称为虚槽系数。因此每槽导体数为2P的倍数。RMxprt能够处理UW4的各种虚槽设计可分析气隙磁场波形分布RMxprt可对空载下磁极的气隙磁场的波形和额定

4、负载下电枢反应的气隙磁场波形进行分析，给出直观波形图，以便于设计人员了解电枢反应对换向的影响。可计算换向元件的换向电势对换向元件的换向参数计算包括元件本身的电抗在换向元件中产生的电抗电势电枢反应在换向元件中产生的电势主磁场在换向元件中产生的电势换向元件中的合成换向电势计算齿槽转矩RMxprt可以计算两个齿距的齿槽转矩，并在设计单中输出其峰值。为有限元电磁场分析输出换向文件当采用有限元电磁场分析对直流电机进行分析时，必须知道换向元件极性的变化。RMxprt将与换向元件的位置和极性变化的相关数据保存到文件中，以便在使用Maxwel2D/3I分析时调用。永磁直流电动机设计这一节,我们将演示三相感应电

5、动机设计的一般流程。点击StartProgramsAnsoftMaxwell12Maxwell12从桌面进入乂2*W11界面。从RMxprt主菜单条中点击FileNew新建一个空白的Maxwell工程文件Projectl。从RMxprt主菜单栏中点击ProjectInsertRMxprtDesigno在SelectMachineType会话框中选择DCPermanent-MagnetMot。然后点击OK返回RMxprt主窗口。这样就添加一个新的RMxprt设计。从RMxprt菜单栏中点击FileSave。如果想把项目另存为,可从下拉菜单选择SaveAs然后点击Save返回RMxprt主窗口。（

6、参见3.2.6设置默认的项目路径）分析这个算例，需要做以下几项设置：.设置模型单位（参考章节设置模型单位）：.配置RMxprt材料库（参考章节3.4.1配置材料库）：.编辑线规库（参考章节3.3.2到：当选择DCPermanent-MagnetMot峨为电机模型时，必须输入如下几项：Generaldata.（基本性能数据）Statordata.（定子数据）Rotordata.（转子数据）Solutiondata.（解算数据）基本性能设计在项目树下双击Machine图标，可显示Properties.对话框。在如图所示的Machine列表下定义基本性能数据。Properliei：C_2p2400r

7、pm75W-MachintMachineNameVbJubUnhIvl白chiiicTypePermanarUrblaqnelDCMotarNumberedPoles2FndionaJLnsBDwVdndagBLoss0WReferenceSpaed加口口i-pm图基本性能数据MachineType：电机类型。NumberofPoles：电机极数。其值为定子极数的总和（或极对数X2）。FrictionalLoss：在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产生）注意：如果将摩擦损耗设为零，RMxprt将根据后面换向器和电刷的表页中定义的电刷压力和摩擦系数来计算摩擦损耗。WindLoss：参考转速下测得

8、的风阻损耗（由空气阻力产生）ReferenceSpeed：所给的参考转速。点击OK关闭Properties对话框。定子设计定子由冲片叠压制成，三相交流绕组安放其中。双击项目树中的MachineStator图标，显示Properties对话框。在如图所示的Stator列表中输入定子数据。Frcperties;FMDC_1p24C0irpm75WR,Stat口rNameValueUnitOulerOiemErer83mmInnerDiamrarG2mmLength100mmSledStatorPole图标显示Properties对话框，在如图所示Pole列表中,定义转子磁极数据。Embrace：极

9、弧系数，其值在。到1.之间，磁极类型为4时不可用Offset：定子中心与极弧表面中心的距离。输入0表示气隙均匀MagnetType：指定磁钢类型（参考指定材料属性）MagnetLength：永磁铁轴向的最大长度MagnetThickness：永磁体径向最大厚度点击0K关闭Properties窗口图磁极数据16.3.3转子设计转子上开槽，槽中所嵌的铜导体与换向器相连。换向器在转子中起机械整流器的作用。在项目树中双击MachineRotor图表显示Properties对话框。在如图所示的Rotor列表中，定义转子数据FeP-EwP制式.即2皿卬eTW-RMKprtDesiRolorNameUnrt

10、SlackingFedur口.92NumberciSlots1Elollype2JOuterDiemebermmInnerDiamelergmmLength如mmEIebIType23ED|EkewuVidth0图转子数据StackingFactor：迭压系数，此系数和转子铁心的有效铁心长度有关，值为。到1。由总长度减去所有冲片绝缘部分之差再除以总长度得到。值为1表示实心转子。NumberofSlot：槽数SlotType：转子铁心槽型（参考节槽型）1）点击SlotType显示SelectSlotType对话框。2）选择一种槽型（有6种类型可用）3）点击0K关闭SelectSlotType对话

11、框。OuterDiameter：转子铁心外径。InnerDiameter：转子铁心内径。Length：转子铁心的轴向长度。SteelType：转子铁心材料类型（参考节设置材料类型）SkewWidth：用槽数度量的斜槽宽度点击0K关闭Properties对话框。定义转子槽双击项目树中的MachineRotorSlot图标，显示Properties对话框（参考节槽型）。在如图所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。点击0K关闭Properties对话框。图定子槽尺寸定义转子绕组双击项目树中的MachineRotorWinding图标，显示Properties对话框，其中包含两个列表：Windi

12、ng和End/Insulation。.1定义转子的绕组、导体和导线在如图所示的Winding列表中定义导线、导体和转子绕组ProperPlDC_2p200rpm75W-RMxprlDftlerl-MaiWindingEndflnsulationNameYedueUmiWridingTypeLopMultiplexNumber1VirtualSlots1CondudareperSlol20CoilPilchENumberoiSlrundg2WreWrap0.07mmWireSizeDiameterQrniri图绕组、导体和导线WindingType：绕组类型（参考节的设置直流绕组类型）1）点击W

13、indingType按键，显示绕组类型WindingType对话窗口。2）从对话窗口的按键中选择叠式，波式或蛙式绕组。3）点击OK关闭绕组类型WindingType对话窗口。MultiplexNumber：套数，从下拉菜单中选择绕组数目，此处有三种选项。1：单套绕组。2：两套绕组。3：三套绕组。对单叠绕组来说，套数是指进线端与出线端之间的换向片的数目，并联支路数等于极数乘上套数。对单波绕组来说，并联支路数等于套数乘以二。VirtualSlots：虚槽数，从下拉菜单中（14）选择每个实槽下的虚槽数。假设转子为双层绕组，分别为上层和下层，每一层有多个元件边，即对应多个虚槽。注意：例如，虚槽数若为2

14、,上层和下层可以各有两个元件边；对于一个有12个槽的电机来说，就有24个换向片。perSlot：每槽导体数，槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。输入0，RMxprt会进行自动设计。CoilPitch：以槽数度量的节距，节距是指一个线圈跨过的槽数目。例如，如果一个线圈起始边在1号槽，终边在6号槽，则节距为5。NumberofStrands：每个导体中导线的并绕根数。输入0，RMxprt会自动设计根数。WireWrap：漆包线的双边漆皮厚度。输入0后能从导线库中自动获得WireSize：定子绕组导线的直径（输入0，RMxprt会自动设计）。用户可选择圆导线或扁导线两种型号。当槽型为1到4时，圆形导线可

15、用（参考节设置圆导线）。当槽型为5或6时，扁导线可用（参考节设置扁导线）。.2定义转子的端部绕组和绝缘可参考节端部绕组和槽绝缘中的详细介绍。在如图所示的End/Insulation列表中定义绕组端部和槽绝缘。PropErties：PMDC_2p210Qrpm75W-RMxprlDiWindingEnd/lnsulalionNameValueUnitInpiriHalf-turnLengihrEndAdjustmentammBaseInnerRodiusQmmTpInnerDiemeier0mmEndClearanosammSlotLiner05mmWadg日Thickns?ammLayerIn

16、suleiion0mmLimitedFillFactcra.75图端部绕组和绝缘InputHalf-turnLength：选择或取消该选项框以指定是否想要键入半匝长度。选中该选项，用户下次打开Properties对话框会出现HalfTurnLength。如未被选中，会有EndAdjustment替代其位置。1）Half-turnLength：电枢绕组的半匝长度。当InputHalf-turnLength被选中时，可用。2）EndAdjustment：定子绕组的端部长度调节项，及导线伸出定子的垂直距离。当InputHalf-turnLength未被选中时，其可用。BaseInnerRadius：

17、底角半径TipInnerDiameter：线圈外弧半径EndClearance：两临近线圈的间隔SlotLiner：槽绝缘的厚度WedgeThickness：槽楔的厚度LayerInsulation：层绝缘的厚度LimitedFillFactor：设计槽满率的上限Connection：均衡器连接，从下拉菜单中选择均衡器连接的类型。有三种选项：1）无均衡器连接2）半均衡器连接3）全均衡器连接点击OK返回RMxprt的主窗口。定义换向器和电刷电流通过换向器在直流端或电刷和转子线圈之间传递，从而使电机旋转。由于换向器的作用，产生的磁场相对于定子是静止的。双击项目数上的MachineCommutato

18、r图标，以显示特性Properties对话框。有两个表页用来定义换向器和电刷的数据，点击OK关闭弹出的对话框。定义换向器可参考7.7.1节换向器的类型和参数中的详细介绍。在换向器Commutator表页中定义换向器的数据，如图所示。PrapErties:PMDC_2p24D0rpm75W-RMxprtDBsignCommutatorBrushNamsValueUllltCommutatorTypE如所日日CommutatorDiamseer图mmCommutatorLength1DmmCommutatorIhwulalionD5mm图换向器数据.CommutatorType：选择换向器的类型。

19、1）点击换向器类型CommutatorType按键，以显示选择换向器类型SelectCommutatorType对话框。2）从下面的两种换向器类型中选择一种：a.圆柱形。b.圆盘形。3）点击0K关闭弹出的对话框。.对于圆柱形的换向器有如下定义：CommutatorDiameter：换向器的直径。CommutatorLength：换向器的长度。.对于圆盘形的换向器有如下定义：OuterDiameter：换向器的外径。InnerDiameter：换向器的内径。CommutatorInsulation：两个连续的换向片间的绝缘厚度。定义电刷可参考节电刷参数中的详细介绍。在换向器Commutator表

20、页中定义换向器的数据，如图所示。图电刷数据BrushWidth：电刷的宽度。BrushLength：电刷的长度。BrushPairs：使用波绕组时电刷的对数。BrushDisplacement：电刷偏离几何中心线的机械角度（反转的方向为正值）。BrushDrop：经过一对电刷的电压降。BrushPress：电刷压紧换向器时的机械压力。FrictionalCoefficient：电刷的摩擦系数。3.5定义转轴数据定义转轴数据：.点击项目树中的MachineShaft图标，显示Properties对话框.在如图所示的Shaft列表中，选择或清除MagneticShaft选项，以指定转轴是否由磁性材

21、料制成。.点击0K关闭Properties对话框MagneticShaft图转轴数据永磁直流电动机的求解4.1添加解决方案在对设计方案进行分析前，先进行几项选择设置：.在项目树下用右键点击Analysis图标，然后右键菜单中点击AddSolutionSetup,显示SolutionSetup对话框.在如图的General列表中定义计算方案的数据。图解决方案设置1)OperationType：1)OperationType：运行方式LoadType：从下拉列表中选择负载类型(参考7.8.1电机负载类型)RatedOutputPower：转轴输出机械功率RatedVoltage：电机线电压有效值，

22、并选择其单位。RatedSpeed：电机同步转速。OperatingTemperature：电机运行时的工作温度。工作温度会影响绕线的电阻，因此会影响电阻损耗。4.点击OK关闭弹出的会话框。求解.点击RMxprtValidationCheck，显示ValidationCheck的消息框。.如果设置有问题，可以通过窗口中的诊断消息解决。.点击Close关闭ValidationCheck的消息框。.当设计被确认后，点击RMxprtAnalyzeAll。.分析过程会在过程Progress窗口中显示，分析信息会在MessageManager窗口中显示。永磁直流电机的设计输出当RMxprt完成求解后，可

23、采用下面的方法观察和分析设计结果。观察设计结果点击RMxprtResultsSolutionData显示Solutions对话框，其中包含4个列表。看完结果后，点击Close来关闭Solution消息对话框。求解结果在下拉数据菜单的解决方案数据SolutionData表页中，共有6种不同的数据表格。换向数据感应反电动势InductanceBackEMFV电枢磁场反电势ArmatureFieldBackEMFV主磁场反电势MainFieldBackEMF-V总的感应电压TotalInducedVoltage-V满载运行输入直流电流InputDCCurrent7.91438A电枢电流Armatur

24、eCurrent3.95719A电枢热负载ArmatureThermalLoad电负载率SpecificElectricLoading5496.49A_per_meter电枢电流密度ArmatureCurrentDensity磨擦和风损耗FrictionalandWindLossW铁心损耗Iron-CoreLossW电枢铜损ArmatureCopperLossW电刷损耗BrushLossW总损耗TotalLossW输出功率OutputPowerW输入功率InputPowerW效率Efficiency额定转速RatedSpeedrpm额定转矩RatedTorqueNewtonMeter锁转转矩L

25、ocked-RotorTorqueNewtonMeter锁转电流Locked-RotorCurrent127.649A材料消耗：电枢绕组铜密度ArmatureCopperDensity8900永磁体密度PermanentMagnetDensity7800电枢铁心密度ArmatureCoreSteelDensity7820转子铁心密度RotorCoreSteelDensity7820电枢绕组铜重量ArmatureCopperWeight0.35776kg永磁铁重量PermanentMagnetWeight0.416291kg电枢铁心重量ArmatureCoreSteelWeight0.39800

26、3kg转子铁心重量RotorCoreSteelWeight0.187939kg全部净重TotalNetWeight1.36002kg电枢铁心的消耗ArmatureCoreSteelConsumption0.968078kg转子铁心的消耗RotorCoreSteelConsumption0.187939kg空载运行：转子齿磁密Rotor-TeethFluxDensitytesla转子轭磁密Rotor-YokeFluxDensity：tesla定子轭磁密Stator-YokeFluxDensitytesla气隙磁密Air-GapFluxDensitytesla磁体磁密MagnetFluxDensi

27、tytesla转子齿部安匝数Rotor-TeethAmpereTurns转子轭部安匝数Rotor-YokeAmpereTurns定子磁极安匝数Stator-YokeAmpereTurns气隙安匝数Air-GapAmpereTurns磁体安匝数MagnetAmpereTurns起始电枢反应StartArmatureReactiveAT漏磁通因数Leakage-FluxFactor1转子轭部修正因数Rotor-YokeCorrectionFactor定子轭部修正因数Stator-YokeCorrectionFactor空载转速No-LoadSpeedrpm空载电流No-LoadCurrent0.3

28、00825A空载输入功率No-LoadInputPowerW转矩常数TorqueConstantKT反电势常数Back-EMFConstantKE齿槽转矩CoggingTorqueNewtonMeter转子槽：槽型2hs01.2mmhs11mmhs29.8mmbs03mmbs18.6mmbs24mm齿顶宽TopToothWidth4.76809mm齿底宽BottomToothWidth4.1385mm转子绕组：每槽导体数NumberofConductorsperSlot20股数NumberofStrands2线径WireDiameter0.95mm漆膜厚度WireWrap0.09mm定子槽满率

29、StatorSlotFillFactor半匝线圈长度CoilHalf-TurnLength118.147mm参数在Parameter列表中可以看到预定义的参数值。设计单在DesignSheet表页共有10组相关数据：PERMANENTMAGNETDCMOTORDESIGNFile：总体要求数据额定输出功率RatedOutputPower(kW)：额定电压RatedVoltage(V)：12极数NumberofPoles：2给定的额定转速GivenRatedSpeed(rpm)：2400摩擦损耗FrictionalLoss(W)：风损耗WindLoss(W)：0电刷偏移量BrushDisplac

30、ement：10一对电刷的压降One-PairBrushVoltageDrop(V)：负载类型TypeofLoad：ConstantPower运行温度OperatingTemperature(C)：0转子数据转子槽数NumberofRotorSlots：12转子外径OuterDiameterofRotor(mm)：55转子内径InnerDiameterofRotor(mm)：9转子槽型TypeofRotorSlot：2转子槽尺寸DimensionofRotorSlothr0(mm)：hr1(mm)：1hr2(mm)：br0(mm)：3br1(mm)：br2(mm)：4齿顶宽TopToothWi

31、dth(mm)：齿底宽BottomToothWidth(mm)：斜槽宽度SkewWidth(槽数)：0转子磁芯长度LengthofRotorCore(mm)：40转子磁芯叠片系数StackingFactorofRotorCore：钢型TypeofSteel：D23_50槽绝缘厚度SlotInsulationThickness(mm)：端部长度调整EndLengthAdjustment(mm)：0每槽虚槽数NumberofVirtualSlotsperSlot：1每槽导体数NumberofConductorsperSlot：20电枢绕组类型TypeofArmatureWinding：叠式绕组套数

32、MultiplexNumber：1线圈节距CoilPitch(虚槽数)：5导体中的线数NumberofWiresperConductor：2线径WireDiameter(mm)：漆膜厚度WireWrapThickness(mm)：并联支路数NumberofParallelBranches：2限定的槽满率LimitedSlotFillFactor(%):75槽满率SlotFillFactor(%)：定子数据最小气隙MinimumAirGap(mm)：外径OuterDiameter(mm)：79定子长度LengthofStator(mm)：100铁心叠片系数StackingFactorofIron

33、Core：1钢型TypeofSteel：D23_50极弧偏移系数PolarArcOffset(mm)：0极弧半径PolarArcRadius(mm)：28物理极弧系数PhysicalPoleEmbrace：计算极弧系数ComputedPoleEmbrace：最大的磁体厚度Max.ThicknessofMagnet(mm)：9磁铁长度LengthofMagnet(mm)：40磁铁类型TypeofMagnet：XG196/96永磁体数据剩磁密度ResidualFluxDensity(Tesla)：矫顽力CoerciveForce(kA/m)：690最大能量密度MaximumEnergyDensit

34、y(kJ/m3)：183相对回复磁导率RelativeRecoilPermeability：1退磁密度DemagnetizedFluxDensity(Tesla)：回复剩磁密度RecoilResidualFluxDensity(Tesla)：回复矫顽力RecoilCoerciveForce(kA/m)：换向器和电刷数据换向器类型TypeofCommutator：柱形换向器直径CommutatorDiameter(mm)：24换向器长度CommutatorLength(mm)：10换向器绝缘CommutatorInsulation(mm)：电刷宽度BrushWidth(mm)：8电刷长度Brus

35、hLength(mm)：8电刷对数NumberofBrushPairs：1单位面积下的压力PressperUnitArea(g/mm2)：2摩擦系数FrictionalCoefficient：材料消耗铜线密度ArmatureCopperDensity(kg/m3)：8900永磁体密度PermanentMagnetDensity(kg/m3)：7800电枢铁心密度ArmatureCoreSteelDensity(kg/m3)：7820转子铁心密度RotorCoreSteelDensity(kg/m3)：7820电枢绕组铜的重量ArmatureCopperWeight(kg)：永磁体重量Perma

36、nentMagnetWeight(kg)：电枢铁心的重量ArmatureCoreSteelWeight(kg)：转子铁心的重量RotorCoreSteelWeight(kg)：全部净重TotalNetWeight(kg)：电枢铁心的消耗ArmatureCoreSteelConsumption(kg)：转子铁心的消耗RotorCoreSteelConsumption(kg)：空载磁性数据转子齿磁密Rotor-TeethFluxDensity(Tesla)：转子轭磁密Rotor-YokeFluxDensity(Tesla)：定子轭磁密Stator-YokeFluxDensity(Tesla)：气隙

37、磁密Air-GapFluxDensity(Tesla)：磁铁磁密MagnetFluxDensity(Tesla)：转子齿部安匝数Rotor-TeethAmpereTurns:转子轭部安匝数Rotor-YokeAmpereTurns:定子轭部安匝数Stator-YokeAmpereTurns:气隙安匝数Air-GapAmpereTurns:磁铁安匝数MagnetAmpereTurns:-起动时电枢反应安匝数ArmatureReactiveAmpereTurnsatStartOperation:漏磁通因数Leakage-FluxFactor：1转子轭部磁路长度的修正因数CorrectionFact

38、orforMagneticCircuitLengthofRotorYoke：定子轭部磁路长度的修正因数CorrectionFactorforMagneticCircuitLengthofStatorYoke：空载转速No-LoadSpeed(rpm)：空载电流No-LoadCurrent(A)：空载输入功率No-LoadInputPower(W)：转矩常数TorqueConstantKT(Nm/A)：反电势常数Back-EMFConstantKE(Vs/rad)：齿槽转矩CoggingTorque：满载数据输入电流InputCurrent(A)：电枢电流ArmatureCurrent(A)：电枢热负载ArmatureThermalLoad(A2/mm3)：电负载率SpecificElectricLoading(A/