电机电磁场的仿真分析 共24页PPT资料
电机设计中的电磁场分析与仿真研究
电机设计中的电磁场分析与仿真研究近年来，电机在工业生产中的应用日益广泛，其设计和优化已成为科学家和工程师们关注的焦点。
在电机设计中，电磁场分析与仿真研究起着至关重要的作用。
本文将探讨电机设计中电磁场分析与仿真研究的关键问题，并介绍一些常用的分析和仿真工具。
一、电磁场分析的基本原理电机作为将电能转化为机械能的装置，其工作原理可以简单概括为通过电流在导线中产生磁场，而磁场与导线中的电流相互作用，进而产生力和转矩。
因此，电磁场分析是电机设计中的核心问题之一。
在电磁场分析中，最基本的原理就是麦克斯韦方程组，它描述了电磁场的变化规律。
其中，麦克斯韦方程组包括了电场的高斯定律、电场的法拉第定律、磁场的高斯定律和磁场的安培定律。
通过麦克斯韦方程组，可以建立电磁场的数学模型，进而对电机的工作原理进行分析和仿真研究。
二、电磁场分析与仿真工具在电磁场分析与仿真研究中，有一些常用的软件工具可以帮助工程师们进行分析和优化设计。
下面介绍几种常见的工具。
1. 有限元分析软件有限元分析是一种常用的数值计算方法，通过将要研究的问题划分为一系列小区域，建立微分方程模型并进行数值求解，得到问题的近似解。
在电机设计中，有限元分析软件可以用于模拟电机内部的电磁场分布、磁通密度等参数。
例如，ANSYS、COMSOL Multiphysics等软件在电磁场分析与仿真研究中被广泛使用。
2. 磁场有限元软件磁场有限元软件是一种专门用于磁场分析的工具，它可以进行三维磁场分析和电磁场的频率响应分析。
在电机设计中，磁场有限元软件可以用于计算并优化磁场的分布，提高电机的效率和性能。
常见的磁场有限元软件有FEMM和Opera等。
3. 电子磁场分析软件电子磁场分析软件主要用于分析电子元件中的电磁场分布和特性，如电感、变压器等。
在电机设计中，电子磁场分析软件可以用于分析电机中的各种电子元器件，提高电机的效率和稳定性。
常见的电子磁场分析软件有Maxwell和Flux等。
对电机进行的电磁场分析
将电枢磁势对合成磁势的影响叫做电枢反应。
Ff
二 同步电动机负载时的运行状态
设电机的磁路不饱和，励磁反电动势 为 E 0 ，电枢电流 I 与 E 0 之间的夹角为
(90 90)
⒈ 电枢电流I 与励磁反电动势E0 同 相时的电枢反应
电枢磁势Fa 的轴线总是与励磁磁势Ff的 轴线(d轴)相差90°电角度，而与转子 的交轴(q轴)重合。因此，称这种电枢 反应为交轴电枢反应。它使转子产生电 磁转矩。
c os5
Fy5 cost cos 5
分布元件组的脉振磁势
1 多相绕组的脉振磁势
设一个元件组由q个整距元件组成。相邻两元件之间相差一个槽距角 ，因此元件、 的矩形磁势波在空间位置上也彼此位移电角 。q个矩形波叠加起来为一阶梯波.
R
Fq1
q
Fq1
2R sin
q
2
Fy1 2Rsin2
Fq1 2Rsinq2
电机运行的性能取决于电机的参数和损耗。 因此研究电机内的磁场，对设计一台性能 良好的电机具有重要意义。
三 旋转电机简介
1 基本分类及结构 1）交流电机 电枢绕组通常位于定子上，其理想波形为正弦波 2）直流电机 电枢绕组通常位于转子上，其理想波形为锯齿波
2 能量关系 电源输入的能量=机械能量输出+磁场储能的增量+转换为热的能量
当电磁转矩和静负载转矩相等时，两个磁势的夹角 不再变化，两个磁势同步前进。
直轴—— 转子NS极中心线，又称作d轴。 规定两个轴
交轴—— 与直轴相距90°电角度的地 方，又称作q轴。
直轴 Ff
交轴
由励磁电流If 产生励磁磁势Ff ，进一步产生励磁磁通0。 由电枢电流I 产生电枢磁势Fa，进一步产生电枢磁通a。
workbench电机电磁场有限元分析课件
Workshop
10/1/2004
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ANSYS v9.0
Motor Analysis in the Workbench Environment
In order to more easily select the
external surfaces of the
modeled domain, suppress all
Workshop
10/1/2004
5
ANSYS v9.0
Motor Analysis in the Workbench Environment
In the tree, open the item “1 Part, 5 Bodies” by clicking on the “+” symbol to the left of it. Do the same with the item labeled “part” that appears below it. Note that the single part in the model consists of 5 individual bodies (stator, rotor, magnet1, magnet2, and “solid”).
The image can be dynamically rotated as follows:
• Position the mouse cursor on the display
• Hold down the middle mouse button (MMB)
1) Move the mouse cursor
2
in this manner.
10/1/2004
Workshop
电机设计中的电磁场仿真与性能分析
电机设计中的电磁场仿真与性能分析摘要：电机的启动特性对于确保电机的可靠启动、减少对电力系统的冲击、提高生产效率等方面都至关重要。
设计良好的电机启动特性需要合理控制起动电流，尽量缩短启动时间，并选择适合的启动方式。
这样能够确保电机可靠运行并达到额定工作状态。
为进一步探究电机的电磁特性，使汽车获得更高的输出转矩，对电机进行三维建模。
本文结合电机设计中的电磁场仿真与性能进行分析，并提出一些个人观点，以供参考。
关键词：电机;电磁场仿真;性能1电机设计中的电磁场仿真在电机设计中，电磁场仿真是一种重要的工具，用于预测和分析电机中的电磁现象。
它可以帮助工程师更好地理解电机的工作原理、优化电机设计以及进行性能评估。
电磁场仿真是通过使用计算机模拟数值方法来解决电磁场问题的过程。
它基于麦克斯韦方程组和其他相关物理方程，利用数值方法（如有限元方法、有限差分方法等）来离散化问题并求解。
通过电磁场仿真，可以预测电机中的磁场分布情况。
这对于电机设计来说非常重要，因为它可以帮助工程师确定磁场的强度、方向和分布，从而选择适当的磁性材料和优化设计以获得所需的性能。
电机中的磁路是电流在铁心中的路径。
通过电磁场仿真，可以分析磁路中的磁通分布、磁阻、饱和效应等。
这有助于评估电机的磁路特性，并确定可能的损耗和效率改进方法。
电磁场仿真可以用于计算电机中的功率损耗，包括铜损耗和铁损耗。
这可以帮助工程师评估电机的热效应，并优化设计以提高能效。
电磁场仿真可以模拟电机在不同负载情况下的动态响应。
1.1空载状态仿真分析永磁同步轮毂电机的空载状态指的是电机在没有负载设备的情况下运转。
电机的空载电磁场是在电动机定子没有电流的情况下，在永磁铁附近产生磁回路。
因此，在本节分析中需要将定子电流设定为0A。
在分析电机性能时，气隙磁场密度是一个必不可少的因素。
通过数值模拟，得出空载条件下气隙的径向和切向磁密的波形如图所示。
由图可知，空载时径向磁通密度峰值为0.6003T，切向磁通密度为0.1684T。
机电系统仿真课案PPT课件
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
希望能在较短的时间内观察到系统发展的全 过程，以估计某些参数对系统行为的影响．
难以在实际环境中进行实验和观察时，计算 机仿真是唯一可行的方法， 例如太空飞行的 研究．
需要对系统或过程进行长期运行比较，从大 量方案中寻找最优方案．
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一. 仿真技术概论
5. 系统仿真
（4）系统仿真的一般步骤：
①建立系统的数学模型；
②转换成仿真模型；
③编写仿真程序；
④对仿真模型进行修改校验，看 与实际系统是否一致，确认模型 的正确性。
⑤运行仿真程序，在不同的初始 15/48 条件和参数下，对系统进行第反15页复/共46页
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一. 仿真技术概论
2. 仿真的必要性
难以用数学公式表示的系统，或者没有建立 和求解数学模型的有效方法．虽然可以用解 析的方法解决问题，但数学的分析与计算过 于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行 的求解方法
对于随机性系统，可以通过大量的重复试验， 获得其平均意义上的特性指标
具有刚性、阻力及惯性这些性能，在输入力作用下，
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系统能产生一定相应输出，如位移输出。
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
（1）机械移动系统
m
k
c
机械平移系统基本元件
(a)质量；(b)弹簧；(c)阻尼
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二 . 机电系统建模
2. 机械系统的数学模型
d 2 x2 dt 2
?
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电动机的电磁场分析与有限元仿真技术
电动机的电磁场分析与有限元仿真技术电动机是一种将电能转化为机械能的装置，广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器等领域。
在电动机的设计与优化过程中，电磁场分析和有限元仿真技术起着重要的作用。
本文将就电动机的电磁场分析和有限元仿真技术展开探讨。
一、电动机的电磁场分析电动机工作的基本原理是由电磁场相互作用产生的力使电动机转动。
因此，电磁场分析是了解电动机性能和优化设计的关键一步。
1. 磁场分布分析电动机中的电磁场主要由磁场和电场组成。
磁场分布分析可以通过磁感应强度或磁场密度进行描述。
通过分析磁场的分布情况，可以了解电动机中磁场的强度和方向，为电动机的设计和优化提供重要依据。
2. 磁场定性分析磁场定性分析是研究磁场的分布规律和特性，包括磁场的形状、大小和方向等。
通过磁场定性分析，可以对电动机的磁场特性进行全面了解，并确定电动机的性能指标。
3. 磁场定量分析磁场定量分析是研究磁场的大小和分布范围等具体数值参数的分析方法。
通过磁场的定量分析，可以对电动机的性能参数进行准确评估，为电动机的设计和选型提供科学依据。
二、有限元仿真技术在电动机设计中的应用有限元仿真技术是一种基于数值计算的方法，可以对电动机的电磁场进行精确模拟和分析。
它通过将电动机划分为许多离散的小元素，利用有限元方法求解电动机的电磁场分布和性能参数。
1. 建模与网格划分在有限元仿真中，首先需要对电动机进行建模，并进行网格划分。
建模是将电动机的几何形状和电性质用数学模型进行描述，网格划分是将模型划分为若干个小单元，用于求解有限元方程。
2. 材料特性指定不同材料的电磁性能不同，对电动机的性能有着重要影响。
在有限元仿真中，需要对电动机各部分所使用的材料进行特性指定，包括磁导率、电导率等参数。
3. 边界条件设置边界条件是指对电动机模型的约束条件和加载条件的定义。
在有限元仿真中，需要设置适当的边界条件，以模拟电动机在实际工作条件下的电磁场分布和性能。
4. 电磁场计算与分析有限元仿真通过求解电动机模型中的电磁场分布方程，得到电磁场的分布情况。
电机电磁场的仿真分析
̶ ̶ ANSYS软件应用
电机电磁场的仿真分析
电机内的电磁场 ANSYS电磁场分析简介 一个应用实例
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 分为：（1）气隙磁场；（2）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；（3）槽内漏磁场； （4）绕组端部电磁场；（5）铁心中的磁场；（6）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 分为：（1）恒定磁场；（2）时变电磁场。
令AZ等于一非零值，或用GUI路径操作
ANSYS电磁场分析简介
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
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。
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS软件提供了两种工作模式，即人机交 互方式（GUI方式）和命令流输入方式（BATCH 方式）。
APDL是ANSYS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 析过程。
ANSYS电磁场分析简介
电磁场的源：电流、外加磁场、永磁体 在电磁场分析中要计算的量：磁通密度、磁场强度、磁力及 磁矩、阻抗、电感、能量损耗等 电磁场单元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、 SOLID96、SOLID97、PLANE121、INFIN9等。 电磁场分析的步骤：
– 创建物理环境； – 建立模型，划分网格，赋予特性； – 加边界条件和载荷； – 求解； – 后处理（查看计算结果）。
电动机的电磁场分析与有限元仿真
电动机的电磁场分析与有限元仿真电动机是将电能转换为机械能的设备，广泛应用于各个领域。
为了更好地提高电动机的设计性能和工作效率，电磁场分析与有限元仿真技术成为了不可或缺的工具。
本文将介绍电动机的电磁场分析方法，并探讨有限元仿真在电动机设计中的应用。
一、电磁场分析方法1. 理论分析方法理论分析方法是电动机设计的基础，在设计前的理论分析阶段，可以通过数学模型来推导电动机的电磁特性。
例如，可以利用麦克斯韦方程组来建立电动机的电磁场模型，进而分析电磁场的分布情况以及电磁力的大小。
2. 简化模型分析方法在实际设计中，电动机的结构往往非常复杂，不易直接建立精确的数学模型。
因此，可以采用简化模型分析方法。
通过对电动机结构进行合理的简化，可以将其分解为若干个简单的部分，然后进行独立的电磁场分析。
最后将各个部分的电磁场结果进行叠加，得到整个电动机的电磁场分布情况。
3. 实验验证方法在设计完成后，还需要通过实验验证电磁场分析结果的准确性。
可以利用磁场感应传感器等设备进行实际测量，然后与理论分析结果进行对比，以验证电磁场分析和预测的准确性。
二、有限元仿真在电动机设计中的应用1. 有限元建模有限元方法是一种常用的数值计算方法，可以建立电动机的三维模型，并对其进行电磁场分析。
通过将电动机结构离散为若干个小单元，可以对每个小单元进行求解，再将各个小单元的结果进行叠加，得到整个电动机的电磁场分布情况。
2. 网格划分与边界条件在进行有限元仿真前，需要对电动机进行网格划分。
将复杂的电动机结构划分为若干个小单元，通过合理地选择网格数量和精度，可以得到准确的仿真结果。
同时，还需要设置合适的边界条件，包括电流边界条件、电压边界条件等，以模拟电动机的实际工作状态。
3. 结果分析与优化有限元仿真可以得到电动机的电磁场分布情况，可以通过对仿真结果的分析来评估电动机的性能。
例如，可以分析电磁场的强度分布、磁通密度、磁场梯度等参数，以评估电动机的工作效率和性能损耗。
电机电磁场的仿真分析ppt课件
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：
F lidlB
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 f (1,) 而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是
密度是
ff(1)f(2)JB2 r 1 B2
，f ( 则2 ) 总的力
在电机中计算磁场力时，通常可以把 f (忽2 ) 略掉。
电机电磁场问题中，边界条件一般有一类、二类及周期
性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。
第一类边界条件：用标量位 求解时，边界上 为 已知
值，即 C 这时，边界上磁场强度的切向分量 H 为t 已知。当用矢量
磁位 A 求解时，边界上为已知值，即 A C 这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线
即等 A 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）。在似稳交变场中，往往在给
定的周期性条件中实际上已给出参考位点。
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电机电磁场的仿真分析
电机电磁场的理论基础
第二类边界条件：即边界上的求解量法向导数
已知。用 求解时
C n
即磁场强度法向分量 H n已知。用 A 求解时，则
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电机电磁场的仿真分析
电机电磁场的理论基础
结构方程： 表示场量之间关系的结构方程有：
D E , J E , B H
它表明了电磁性能关系， ,, 分别为电容 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。
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电机电磁场的仿真分析
电机电磁场的理论基础
边界条件：
名称 全电流定律 电磁感应定律
积分形式
D
Ñ lHgdlsJgdss
电动机的电磁场分析与仿真方法
电动机的电磁场分析与仿真方法电动机是将电能转化为机械能的重要设备，它在现代工业生产中扮演着至关重要的角色。
电动机的性能和效能的提升，对于工业生产的高效运行起着决定性的作用。
而电动机的电磁场分析与仿真方法则是理论研究和实践应用中的基础环节。
本文将介绍电动机电磁场的分析与仿真方法，为电动机设计与优化提供参考。
一、电动机电磁场分析方法1. 理论分析法电动机电磁场的理论分析是电动机设计与研究的基础。
通过对电动机的结构、电磁特性以及工作原理的深入研究，可以建立一系列的数学模型，并运用电磁场理论求解这些模型，从而分析电动机的电磁场分布、磁力和转矩等关键参数。
理论分析法的优点是能够通过简化模型迅速获得初步结果，但同时也需要考虑模型的准确性和精度。
2. 有限元分析法有限元方法是一种常用的电动机电磁场分析方法。
该方法基于有限元离散化和数值差分的原理，将电动机结构划分为若干个有限元单元，建立离散方程组，通过求解方程组得到电磁场的分布和特性。
有限元分析法具有较高的精度和较好的逼真度，可以考虑更多的结构细节和物理特性，但同时也需要较大的计算量和较长的计算时间。
3. 等效磁路法等效磁路法是一种常用的电动机电磁场分析方法，它基于磁路理论和电路理论相结合的原理。
将电动机的磁场分布等效为一个磁路网络，通过建立等效电路方程和磁路方程，并利用电路分析方法和数值方法求解，得到电磁场的分布和特性。
等效磁路法具有计算速度快、模型简化和直观等优点，适用于快速预估和初步设计阶段。
二、电动机电磁场仿真方法1. 二维仿真方法二维仿真方法是一种常用的电动机电磁场仿真方法。
该方法基于二维平面电磁场分析原理，通过建立电磁场的数学模型，运用有限元方法或其他数值方法求解得到电磁场分布和特性。
二维仿真方法具有计算速度较快、模型简化和直观的优点，适用于电动机的初步设计和参数优化。
2. 三维仿真方法三维仿真方法是一种更加精确的电动机电磁场仿真方法。
该方法基于三维空间电磁场分析原理，通过建立电磁场的三维数学模型，运用有限元方法或其他数值方法求解得到电磁场分布和特性。
电机的数学模型与仿真分析PPT课件
电机控制系统的发展极为迅速：
20世纪60年代以前，调速系统是以直流机组为主， 20世纪60年代， 开始有晶闸管构成的直流V-M系统。 20世纪70年代开始，研究交流调速系统。 20世纪80年代之后，交流调速系统已成为调速系统的主流。
交流电机控制系统仍在不断的发展和完善，目 前主要的发展有如下一些动向：
智能化 解析运算
标志着计算机语言向“智能化”方向发展，被称为第 四代编程语言。
第12页/共86页
5、 MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了， 它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供 了丰富的Windows图形界面设计方法
6、 MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言, 它 以超群的风格与性能风靡全世界, 成功地应用于各工 程学科的研究领域
同步电机的数学模型与仿真分析2直流电机的数学模型与仿真分析21直流电机的结构22直流电机的励磁方式23直流电机的磁场24直流电机的感应电动势和电磁转矩25直流电机的能量转化关系26直流电机的基本方程27直流电机的数学模型28直流电动机电气传动29直流电动机的调速系统21直流电机的结构1风扇2机座3电枢4主磁极5刷架6换向器7接线板8出线盒9换向极10端盖架21直流电机的结构电枢铁心冲片多边形机座示意图主磁极电机中的主极和换向极21直流电机的结构电枢绕组在槽中的绝缘情况换向器普通的电刷装置直流电枢绕组元件21直流电机的结构单叠绕组的展开图22直流电机的励磁方式直流电机各种励磁方式的接线图23直流电机的磁场一台四极直流电机中的空载磁场分布23直流电机的磁场电刷在几何中性线上时的电枢磁场感应电动势和电磁转矩ncnapne????ea6024直流电机的感应电动势和电磁转矩apap22aemk11aata222nnk?k?lpittpbx?apnicia????????并励直流电动机等效电路带转轴25直流电机的能量转化关系aemeip?功率平衡方程??????emaaaa30260atniapnnipnpemaarieu??faiii??uikirddtdlai????fafaaa稳态运行时26直流电机的基本方程并励直流电动机等效电路affkitaffkitcnec??????或uirddlfi??fftf动态情况a1affaemcuapcufpemcuaeirpuiiuiippp??????????26直流电机的基本方程并励直流电动机等效电路02adfemec2emppppppp???????????02emppp转矩平衡方程02emttt??27直流电机的数学模型tttddjttt???????02t?02em??????????????????????????????????????????????????????????????????????????lfafafafafffafafaafat10001000100j000tuujlliiiklrliklriidd28直流电机的电气传动并励直流电动机等效电路并励电动机的机械特性?对直线运动运动方程为dvffmdt?????对旋转运动运动方程为dtdj?????2?260nrads两式中的三项都是有方向的gdgd4dd2gg2工程上习惯使用工程单位
workbench电机电磁场有限元分析幻灯片
Right click on “solid” and in the
drop down menu, request that 1 it be hidden in the display.
Note that the display of any
individual bodies may be
either suppressed or restored
3: Click “Apply”
1
Motor Analysis in the Workbench Environment
A winding table text file
1 2
Motor Analysis in the Workbench Environment
You should see an end view of the motor geometry. Using the left mouse button (LMB) click on the blue dot adjacent to the triad in the lower right corner of the plot. This should result in the isometric view shown at right.
Motor Analysis in the Workbench Environment
1) Bring up the enclosure tool as
shown at right. This will be used to automatically create a
1
mesh of the magnetic domain
The image can be dynamically rotated as follows:
电机电磁场的仿真分析(精选PPT)
名称 全电流定律 电磁感应定律
积分形式
D
Ñl H gdl s J gds s t gds
Ñl Egdl
t
s
B gds t
微分形式
H J D t
E B t
高斯定律
Ñs Dgds v vdv
gD v
磁通连续性定律
4
Ñs Bgds 0
gB 0
电机电磁场的理论基础
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：
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：
F l idl B
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 f (1,)而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是
电机电磁场的仿真分析
̶ ̶ ANSYS软件应用
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电机电磁场的仿真分析
电机内的电磁场 ANSYS电磁场分析简介 一个应用实例
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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 分为：（1）气隙磁场；（2）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；（3）槽内漏磁 场；（4）绕组端部电磁场；（5）铁心中的磁场；（6）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 场可分为：（1）恒定磁场；（2）时变电磁场。
得
；H1t H2t J
磁通密度的法向分量相等，即 ； B1n B2n
矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足 A1t 。A2t 9
电机电磁场的理论基础
非线性问题： 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。 在磁场中，铁磁物质的磁化特性呈非线性关系， 磁导率 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 是随 着E, J 的值变化而变化，使 J E 呈现非线性，此 时都应分别满足准涡流方程。
电机电磁场数值分析方法PPT优质资料
k
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Aj
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kmmAm pm
总体合成
k11 k12 k1n A1 p1
k21
k2 2
k2n
A2
p2
kn1
kn2
kn
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• 方程求解 直线AD和BC为整周期边界（计算负载磁场）
微分方程和定解条件作为一个整体，称为定解问题。 能精确地逼近复杂的几何边界； 第三类边界条件（洛平）：边界上的物理条件规定了物 直线AD和BC为第二类齐次边界条件（仅计算永磁磁场）
剖分插值
y
AN iA iN jA jN m A m
j
m 0
i x
• 区域剖分 例如，将铁和空气的交界处作为边界，当区域内是铁、区域外是空气，则该边界线与磁力线重合；
有源（电流）区域或无源区域都可以用矢量位求解，标量位适用于无电流区域。
• 构造插值函数 对于电机恒定电磁场问题，定解条件就是边界条件，边界条件表达场的边界所处的物理情况，这又被称为边值问题。
能计算具有多种媒质区域内的电磁场； 圆弧AB和CD为第一类边界条件。
电机电磁场数值分 析方法
有限元法
• 能计算具有多种媒质区域内的电磁场； • 能精确地逼近复杂的几何边界； • 能很好地处理非线性问题； • 能精确地描述场源的分布； • 已形成一套比较合理和成熟的算法。
边值问题和条件变分问题
• 有限元法是基于偏微分方程的方法。微分 方程要获得唯一解，必须给定相应的条件 ，称为定解条件。微分方程和定解条件作 为一个整体，称为定解问题。对于电机恒 定电磁场问题，定解条件就是边界条件， 边界条件表达场的边界所处的物理情况， 这又被称为边值问题。
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这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线 即等 A 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）。在似稳交变场中，往往在 给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。
电机电磁场的理论基础
第二类边界条件：即边界上的求解量法向导数
已知。用 求解时
C
n
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS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 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 流以及电势降等。
ANSYS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、 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 运动的影响。
即磁场强度条件：由n 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。
电机电磁场的理论基础
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：
电场强度切向分量相等，即 E1t E2t ；
电流密度法向分量相等，即 J1n J2n ；
ANSYS电磁场分析简介
电磁场的源：电流、外加磁场、永磁体 在电磁场分析中要计算的量：磁通密度、磁场强度、磁力及 磁矩、阻抗、电感、能量损耗等 电磁场单元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、SOLID96、 SOLID97、PLANE121、INFIN9等。 电磁场分析的步骤：
– 创建物理环境； – 建立模型，划分网格，赋予特性； – 加边界条件和载荷； – 求解； – 后处理（查看计算结果）。
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 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 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。
电机电磁场的理论基础
电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。
名称 全电流定律 电磁感应定律
交界面上无面电流层时，磁场强度的切向分量相等，
即
H1t ； H如2t 果有面电流存在，则根据全电流定律，
可得
H1t H2；t J
磁通密度的法向分量相等，即 B1n B2n ；
矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足 A1t A2t 。
电机电磁场的理论基础
非线性问题： 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。 在磁场中，铁磁物质的磁化特性呈非线性关系， 磁导率 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 是随 着E , J 的值变化而变化，使 J E 呈现非线性，此 时都应分别满足准涡流方程。
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：
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：
F lidlB
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 f (1 ) 的力密度是
,而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是 f ( 2 ) ，则总
ff(1)f(2)JB2 r 1 B2
在电机中计算磁场力时，通常可以把 f ( 2 ) 忽略掉。
电机电磁场的理论基础
结构方程： 表示场量之间关系的结构方程有：
D E , J E , B H
它表明了电磁性能关系， ,, 分别为电容 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。
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS程序中磁场分析的类型： 2-D（3-D）静态磁场分析：分析直流电或永磁体所产 生的磁场。 2-D（3-D）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。 2-D（3-D）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。
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 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。
电机电磁场的理论基础
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 性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。 第一类边界条件：用标量位 求解时，边界上 为已知 值，即 C
这时，边界上磁场强度的切向分量 H t 为已知。当用矢量 磁位 A 求解时，边界上为已知值，即 A C
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组 导出，计算的主要未知量（自由度）是磁势或磁通量， 其它磁场量则由这些自由度得来。
ANSYS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 B-H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。
电机电磁场的仿真分析
̶ ̶ ANSYS软件应用
电机电磁场的仿真分析
电机内的电磁场 ANSYS电磁场分析简介 一个应用实例
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 分为：（1）气隙磁场；（2）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；（3）槽内漏磁场； （4）绕组端部电磁场；（5）铁心中的磁场；（6）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 分为：（1）恒定磁场；（2）时变电磁场。
积分形式
D
lHdlsJdss t ds lEdl t sB t ds
微分形式
H J D t
E B t
高斯定律
Dds s
vvdv
D v
磁通连续性定律
s B ds 0
B0
电机电磁场的理论基础
电机中的电磁力：