基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析解读
电气工程毕业论文 永磁直线电机的有限元分析及计算
基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分析及计算学生姓名：指导教师：浙江工业大学信息工程学院电气工程系摘要永磁直线电机是一种具有很高定位精度的新型电机。
不同与其他励磁的直线电机，它采用永磁体作为励磁源。
研究其磁场分布及力特性具有重要意义。
相对于传统的解析法，有限元数值分析可以缩短电机的设计周期及减少设计成本，可对直线电机的磁场及力得出精确的分析。
ANSYS8.0是一种在工程中广泛使用的有限元分析软件，采用该软件中的电磁场分析功能对永磁直线电机的磁场进行有限元的分析和计算，并在此分析的基础上对永磁直线电机的力场做进一步的计算和分析，对永磁直线电机的设计具有重要的工程意义。
通过电磁场的有限元数值分析方法，利用通用有限元分析软件ANSYS8.0建立平板型单边永磁直线电机的有限元模型，分析其2维静态磁场，得到初步的分析结果，并在这个分析的基础上对永磁直线电机的力场进行了进一步的分析，计算直线电机的推力和法向力，结合永磁直线电机的静态磁场，研究了永磁直线电机推力及法向力和电流变化的相互关系，对今后永磁直线电机的设计和研究具有一定的参考意义。
关键词永磁直线电机、有限元、ANSYS、电磁场、推力、法向力- i -Finite Element Analysis and Calcultation of a Permanent Magnet Linear Motor Based on ANSYS8.0Student: Chen Shen Advisor: Peiqiong YuDepartment of Electric EngineeringCollege of Information EngineeringZhejiang University of TechnologyAbstractThe permanent magnet linear motor is a kind of new electrical engineering that has the very high fixed position accuracy.The differents between the permanent linear motor and the type of non-permanent is that it adopts thepermanent be the source of dlux Opposite in traditional resolution method,Finite element analysis can shorten the design period of the electrical engineering and reduce to the design cost,it also can get the analysis of a precision tu the magnetic field and fotce of the linear motor the ansys8.0 is a finitr element analvtical software.Throught the method of the Finite element for the electromagnetic analysis,we use ANSYS8.0 creat a model for the Permanent magnet lineat motor with finite element method.We analysis its 2-D setaic magnetic and get the first result. Then we analysis the force field by finish the analysis of its magetic field We calaulate the thrust and normal force combining the analysis of the permanent magnet linear motor,study the relationship between thecurrent and thrust,normal force.The work for this paper can give some help and advice to the study and design of the permanent linear motorKeywordsPMLSM, ANSYS, FEM,Electromagnetic field, thrust, normal force- ii -致谢在本次毕业设计的过程中，首先要衷心感谢我的指导老师余佩琼，在这一个学期的的毕业设计期间给于我很多的指导和帮助，在我遇到困难的时候，给了我许多有用的建议和提示。
基于ANSYS的电机电磁场计算软件的开发和应用
～Ｌ 卜ｒ 基 于 Ａ ＹＳ的呻摘 电磁 场计算软件 的开发 和应 用 ＮＳ 电机
【 大连交通大学 机械工程学院， 大连 １６２ ） １０ ８ 【 中国北车集团永济电机厂 。 永济 ０４ ０ ） ４５０
Ｔｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｎ ｐ ｌ ａ ｉｎｏ ｌｃ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｅｄｓ ｆ ｒ ｆ ｔ ｒ ａ ｅ ｎＡＮＳＹＳ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｄａ ｐ ｉ ｔ ｆ ｅ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｆ ｌ ｏ ｔ ｅ ｏ ｏ ｓ ｄｏ ａ ｃ ｏ ｅ ｃｉ ｗａ ｍｏ ｂ
＋ ． ． 一＋ ． ． 一． 一． ＋ ． ＋ ． 一． 一＋ ． ． ． 一． 一＋ ． ． 一 ＋ ． ． 一＋ 。 ＋ ． ． ＋ ＋ ． ． ●． ＋ ．—
＋ ＋ ． ． ． ． — ． ＋ ．＋ ． ． —． ● ． ＋ ． ． ＋ ．＋ ． ● ＋ ． —． —． ＋ ． ＋ ． ＋ ． ● —． ＋ ． ． —． — ． ＋
ｃｌ ｉ ａ ｄＯ Ｎ Ｙ ｓ ｒ ｅｔ ｉｐｐ ｒ Ｔｅｓ ｗ ｒ ｗ ｉ ａ ｄＯ ｌ ｎ Ｓｒ ｒ ｏｅｉ ｕ ｔｎｂｓ ｎＡ Ｓ Ｓ／ｐｅ ｎ ｄｉ ｔ ｓ ａｅ． ｈ ｏ ａ ｈ ｈｉ ｂｓ ｎＣｉ ｔ ｅｖ ｄ ａｏ ｅ ｓ ｅ ｎ ｈ ｆ ｅ ｃ ｓ ｅ ｔ ｅ￣ ｅｍ ｓ
机设计具有重要作用 。 的电磁计算 基于磁路法 的经验公式 ， 传统
计算精度较低 。随着数值计算技术的快速发展 ， 出现 了以 Ａ — Ｎ Ｓ Ｓ为代表的大型通用有限元分析软件 ，有 限元技术在 电磁场 Ｙ
计算 中开始广泛 应用 。 采用 Ｖ 进行界面开发和对 Ａ Ｓ Ｓ Ｂ Ｎ Ｙ 软件 的封装 、 调用 ， 了电机 电磁场计算软件 的开发 ， 完成 能够进行 电
ｔｎｒ ｉ ｉ ｙ ｔ ｆ ａ ． ｈ ｏｗ ｒ ｒ ｕｅ ｔ ｒ ｈｌ ｏ ｕａｅ ｐｏ ｓｉ ａｆ ｉ ｌ ｅ 一ｉ ｉ ｌｂ ｉ ｈ ｓ ｗ ｒ Ｔｉ ｓ ａ ｄ ｓｈ ｔ ｅｏ ｄ ｓｇ ｒ ｅ ｏ ｌ ｎ ｅｅ ｍ ｎ ｎ ｏ ｅａ ｌ ｏ ｅ ｏ ｅ ｓ ｆ ｅ ｅｃ ｈ ｓ ｔｆ ｔ ｔ ｅ ｆ ｆ ｏ ｆ ｓｎ ｉ ｔ ｅ ｔ ｛ ｙｉｓ ｗｒ． ｈ ｅ ｆｌｏ ｉｐｏ ｅｔ ｄｓ ｎｑ￣ ｔ ｓ ｆ ａ Ｔｉｉｈｌｕ ｆｒｍ ｒ ｎ ｏ ｅ ／ ｕ ／． ｓ ｏ ｅ ｓｓ ｐ ｔ ｍ ｆ ｇ ｙ ； ； Ｋ ｙｗ ｒｓ ｔｒ Ｅｅｔ ｍａｎｔ ｅ ； ｉｉ ｅ ｅｔ ｎ ｌ ｉＡ Ｓ Ｓ Ｒ ｄ ｖｌ ｍｅ ｔ ｅ ｏｄ ： ｏ； ｌ ｒ ｇ ｅ ｃ ｌ Ｆｎｔ ｅ ｍ ｎ ａｙ ｓ Ｎ Ｙ ； ｅｅｅ ｐ ｎ Ｍｏ ｃｏ ｉｆ ｄ ｉ ｅｌ ａ ｓ； ｏ ； ｛
ANSYS电机磁场分析
2009-06-02 18:58 by:有限元来源:广州有道有限元ANSYS软件是世界上著名的大型通用有限元分析计算软件，具有强大的求解器和后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个良好的工作平台，更使我们从繁琐单调的常规有限元分析计算中解脱出来。
无轴承异步电机是在普通电机的定子中再嵌入悬浮控制绕组，通过悬浮绕组磁场对原有绕组磁场的作用，改变了气隙磁场的对称分布，将在转子上产生可控磁悬浮力，实现了转子的悬浮运行。
因此，讨论无轴承电机的运行机理，必须从分析电机中的电磁力着手。
无轴承异步电机中转子受到了洛仑兹力和麦克斯韦力两种不同的电磁力。
计算的方法通常有等效磁路法、近似解析法、位势磁通法和有限元法。
在磁场分布和变化比较复杂且非线性严重的情况下，有限元法精度最高，而使用ANSYS软件既保证了有限元分析的高精度，又大大降低了计算量。
本文所讨论的无轴承异步电机具有非线性饱和磁路，磁场变化复杂。
因此，非常适合用ANSYS进行分析。
1 A NSYS软件简介ANSYS软件有以下特点：使用方便、涉及面广、易学易用，高效方便的绘图功能，灵活多样的剖分网格形状，疏密程度，多种可选择的迭代求解器，强大的后处理功能。
1．1 A NSYS电磁场分析ANSYS程序可用来分析电磁场多方面问题，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线、力等。
可有效地分析多种设备，如发电机、电动机、螺线管传动器、开关等。
ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交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进行力、力矩、源输入能量、端电压和其它参数的计算。
1．2 A NSYS软件的分析计算步骤(1)创建无轴承异步电机有限元分析模型；(2)定义和分配材料，网格剖分；(3)施加边界条件和载荷，并求解；(4)查看并保存计算结果。
基于ANSYS的主动磁轴承电磁场的有限元分析
１０ ６ １１８
３ 东北大学 信息科学与工程学 院 ． 摘
沈阳
１０ ０ １０ ４
要 ：在介绍主动磁轴承 转子的数学模型及其 简化 计算的基础上 ， 出了有 限元计 算模型及其 边界 条件 ， 给 并用有
限元 分析 软 件 Ａ Ｓ Ｓ对 主 动磁 轴承 电磁 场 的耦 合 现 象及 转 子偏 心 量 和控 制 电 流对 磁 场 分 布 的影 响进 行 了仿 真 ， 出定 予 ＮＹ 给
ｃ ｎ ｌｓｏ ｅｇ ｉ ａ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎｏ ｇ ｅｉ ａ ｉ ｇ ． ｏ ｃｕ ｉｎ ｉ ｔ ｕ ｄ ｎ ｅｆ ｓｇ ｆ ｓｈ ｏ ｄ ｍａ ｎ ｔ ｂ ｒ ｓ ｃｅ ｎ
Ｋ ｅ ｏｒ ｓ ｙＷ ｄ ：Ｆｉ ｉ ｅ ｅ ｔ Ｅｌｃ ｒ ｍ ａ ｎ ｔ ｉｌ Ａｃ ｖ ａ ｅ ｃＢｅ ｒｎ ＡＮＳ ｎ ｔ Ｅｌｍ ｎ ｅ ｅ ｔ ｏ ｇ ｅ ｃＦ ｅｄ ｉ ｉ ｔ ｅＭ ｇ ｔ ａ ｉ ｇ ｎ ｉ ＹＳ
主 动磁 悬 浮 轴 承 （ ＡＭＢ， 称 磁 轴 承 ） 利 用 电 磁 简 是
在 线 性 分 析 中 ， 子 和 转 子 轴 套 用 高 磁 通 密 度 的 定
、
铁 产 生 可 控 电磁 力 将 转 子 无 接 触 地 悬 浮 于 定 子 间 气 隙
中 的 一 种 新 型 轴 承 １ 与 传 统 的 机 械 轴 承 相 比 ， 轴 。 磁 承 因具有 无接 触摩 擦 、 速度 、 功 耗 、 精 度 、 需润 高 低 高 不 滑 等优 点 而广 泛 应 用 于 交通 、 速 机 床 、 空 航 天 、 高 航 核 工 业 等 领 域 【 １由 于 磁 轴 承 所 能 够 获 得 的 最 大 承 载 能 ４ 。 ． 力 由所使 用 磁 性 材料 的最 大 磁通 密 度所 决 定 ， 了增 为
有限元的分析软件Ansoft在电机领域中应用
有限元的分析软件Ansys在电机领域中应用有限元分析是现代工程和科学领域中最强大的工具之一。
它是一种仿真技术，可用于预测复杂结构的加载和行为。
此技术已经在各种领域得到了广泛的应用，包括航空航天、汽车、建筑、医学设备等，也在电机领域中广泛应用。
Ansys是一家专业的机械仿真软件公司，推出了Ansys Maxwell、Ansys Q3D Extractor、Ansys Icepak等多款电磁仿真软件。
本文将重点介绍Ansys最著名的电机仿真软件Ansys Maxwell在电机设计中的应用。
Ansys Maxwell介绍Ansys Maxwell是Ansys专为电力电子、电机、传感器设计等行业推出的电磁仿真软件。
Ansys Maxwell提供了各种电机部件和材料的建模，通过有限元解算技术实现了对电机运行性能的全面分析。
Ansys Maxwell在电机领域的具体应用包括：电机的磁场仿真在电机部件上施加预定义的电源电压波形或电流波形，Ansys Maxwell可计算它们所产生的电磁力和涡流、磁通密度和磁力线等参数。
与他平面上的分析方法相比，有限元分析技术能够更好地解决非线性、非均匀和几何较复杂的问题。
电机的热老化仿真Ansys Maxwell不仅可以分析电机的电磁性能，还可以通过Ansys Icepak模块进行热仿真，分析磁场作用下电机的温度分布和热点位置等运行状况，从而设计出更加稳定的电机。
电机的噪声与振动仿真电机在工作时往往会产生噪声和振动。
在电机设计阶段，利用Ansys Maxwell 可进行噪声和振动仿真。
通过识别和测试电机的激励源和耦合过程，可以预测电机的声功率级和振动特性，从而优化电机设计。
Ansys在电机领域的应用实例应用Ansys Maxwell，企业可以快速准确地设计和验证新的电机概念和产品，预测其性能和优化设计，降低设计成本和提高设计效率。
以下列举了Ansys在电机领域的应用实例。
无刷直流电机的磁场和振动分析以无刷直流电机为例，Ansys Maxwell在电机的建模、噪音和振动分析方面做出了贡献。
基于ANSYS软件的稀土永磁无刷直流电机的电磁场分析
基于ANSYS软件的稀土永磁无刷直流电机的电磁场分析近年来，由于稀土永磁无刷直流电机具有效率高、转矩低、低压低转速性能好、调速范围广、噪声小、抗干扰能力强、体积小等优点，在国防、工农业生产和日常生活等许多方面获得了越来越广泛的应用。
因此受到了越来越多人的亲睐。
电磁性能是电机设计的重要指标，故研究其磁场的分布具有重要的意义。
和其它的许多励磁的直流电机不同的是，稀土永磁无刷直流电机采用了永磁体作为励磁源，故电机内部电磁场的分布较为复杂，采用传统等效磁路方法分析会遇到周期长，成本高，且会带来比较大误差的困难，而本文采用有限元数值分析的方法来对电机进行分析，很好的解决了上述的困难。
ANSYS14.5是一种在工程上广泛使用的有限元分析软件，本文首利用它提供的GUI命令和命令流（APDL语言）结合起来建立了稀土永磁无刷直流电机的模型，然后经过了前处理阶段、分析计算阶段和后处理阶段，最后分析了其二维的静态磁场，得到了与空载和负载相对应的磁场分布、磁场强度分布、磁流密度分布、电磁力分布。
结果都非常直观明了，计算精度高，而且整个设计周期短，为稀土无刷直流电机的设计分析提供了很好的思路，具有一定的参考意义。
关键词：稀土永磁无刷直流电机,有限元法,ANSYS,电磁场分析、第一章绪论1.1 稀土永磁无刷直流电机产生的背景20 世纪以来，随着全球汽车工业的发展，对石油资源的需求、对生态环境的影响变得越来越大，在这种背景下，各种各样的电动汽车脱颖而出[1]·有刷直流电动机有刷直流电动机拥有良好的启动和调速性能，但其存在换向器和电刷，导致换向火花、电磁干扰、可靠性差、造价高等一系列问题。
·异步电机异步电机结构简单、运行可靠、价格便宜，但其调速和启动性能不佳。
·同步电机同步电机具有良好的运动性能，但其启动性能不佳。
·上世纪三十年代有人提出了用电子换相取代机械换相无刷直流电动机的概念，但当时尚无理想的电子换相器件。
基于Ansys的异步牵引电机电磁场分析
很好 的一致性 ， 证明所建场路耦合模型的正确性 ， 为异步牵 引电机 的优化设 计提 供了理论性指 导。 关键词 异步 牵引电机 ； 电磁场 ； 有限 元 ； ｎｙ Ａ ｓｓ
中图分类号 Ｔ ０ ． 文献标 识码 Ａ 文章 编号 １０ －２ １ ２ ０ ） ３０ １ － Ｍ３ １ ２ ０ ８７ ８ Ｉ ０８ ０ －０ ８０ － ４
北京交通大学电气工程 学院， 北京 （ｏｏ４ １ｏ４ ）
摘 要 随着我 国高速 铁路 的快速 发展 ， 对异 步牵 引 电机 的运行 性能 提 出了越 来越 高 的要 求， 为进一步优化异步牵 引电机 的性能 ， 就需 要准确 计算异 步牵 引 电机 内 电磁 场的分 布和 特性 。 应用场路 耦合 法 ， 在忽略定转子端部对 电磁 场分 布影响 的前提下 ， 立了异 步牵 引电机 电磁场 分 建 析 的场路 耦合模 型。基于所建模 型 ， 利用 Ａ ｓｓ ｎｙ软件对 一台三相 ４ 极异 步牵 引 电机进 行二维 电磁
ｔｏ ｔ ｒ ｉｎ ｍｏ ｏ ．
Ｋｅ ｒ ｓ Ａｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｔａ ｔｏ ｔｒ ｌｃｒ ｍａ ｅｉ ｅｄ；ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ Ａｎ ｙ ｗｏ ｄ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｃ ｎ ｍｏ ｏ ；ｅ ｅ ｔｏ ｇ ｔ ｆ ｌ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ； — ｒ ｉ ｎ ｃｉ
维普资讯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
防爆 电机
（ Ｘ Ｌ ＳＯ Ｅ Ｐ Ｏ Ｉ Ｎ—Ｐ Ｏ ＦＥ Ｅ Ｔ Ｉ Ｃ Ｉ Ｅ） Ｒ Ｏ Ｌ Ｃ Ｒ Ｃ ＭＡ Ｈ Ｎ
第 ４０ ８ ２０
３卷 （
器３期 １）
基 于 Ａ ｓｓ ｎｙ 的异 步 牵 引 电机 电磁 场 分 析
ANSYS软件在永磁同步发电机电磁场分析中的应用
的图形可以清楚地看出各部分磁密分布， 磁场强度的大 小 ， 算 出永 磁体单 独 作 用时 磁 钢 的空 载 工作 点 以及 各 计
个 电磁计算 中所需 要 的 系数 ， 负载 情 况 与此 类 似 。从 而 在 直观 明 了的情况 下完 成 电机 的电磁 设计 。
＿ 誊 ≥ 幸ｌ ＇ 秀 。
《 计量ｓ潮试技术》ｏ ２年第 ３ ２ ９卷第 ８期
磁 密分 布 曲线 。从 中可 以看 出 ， 在一个 永磁体 的磁极 下 ， 电枢磁 场对 一半 的磁极 造 成增 磁 效 果 ， 另一 半 磁极 下 在 对 永磁 体 产 生 去磁 效 果 。可见 通 过 Ａ Ｓ Ｓ后 处理 得 到 ＮＹ
…
＊
图 ７ 永磁 体 和 额 定 电枢 电流 共 同 作 用的 气 隙 磁 密 分 布 曲 线
３ 结 论
９ ．３ １６ ７ １ ２４ ６ ７ ７
．
Ａ Ｓ ｓ软 件是一种 功 能强 大 的有 限元 分 析 软 件 ， ＮＹ 具 有较高 的分 析精 度 ， 以灵 活 方 便地 对 永 磁 同步 发 电机 可 电磁场 问题进行 分析 和计 算 ， 果直观 明了 ， 结 使永 磁 同步 发 电机设 计更 加准确 和 直观 ， 助 于 提高 永 磁 电机进 行 有 性能 分析及优 化设计 。
二 ｝ ｌ
ｌ ＾ ｂ莪 １ 置 ＇ ｒ ｊ ＾
～ ，
¨一 … ＿ 一】 秀ｌ推｝ 謦瑚豫 ；。 ； ｌ¨ Ｌ 霎一 薯 ｝ 自
ＩＩ ｊ
ｌ誉 《 ｌ
…ｌ ；
１ ９昏 ４ ｝
．
毒… ｌ ～一 … 一 ～
ｉ Ｈ、 … ｛ ～
１８ ． ９ ２
［］ ３唐兴伦 ． Ｎ Ｙ 工程应用教程 一 Ａ ＳＳ 热与 电磁学篇 ［ ］ 中国铁道出版 Ｍ ．
基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析
基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析
黄劭刚;夏永洪;张景明
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2004(32)5
【摘要】介绍了应用ANSYS自带的APDL编程语言进行软件开发,将该软件应用于同步发电机空载磁场分析中,在电机的电磁场计算中实现了电机的自动旋转、自动施加载荷的功能,使用、修改方便,并且计算速度快.通过对电磁场计算结果的后处理,得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形.样机测试结果验证了分析结果的正确.
【总页数】3页(P12-14)
【作者】黄劭刚;夏永洪;张景明
【作者单位】南昌大学,江西南昌,330029;南昌大学,江西南昌,330029;南昌大学,江西南昌,330029
【正文语种】中文
【中图分类】TM341
【相关文献】
1.基于ANSYS软件的多相无刷直流电机有限元分析 [J], 让余奇;熊浩;向东
2.基于APDL的永磁同步电机电磁场有限元分析方法 [J], 王博;刘明基;郭韩金;高玉颖
3.基于ANSYS的稀土永磁无刷直流电机的电磁场有限元分析 [J], 杰静;李晓竹
4.基于ANSYS软件的磁浮列车直线感应电机的电磁场及电磁力分析 [J], 魏凯
5.基于Ansoft大功率牵引电机电磁场有限元分析 [J], 刘继午
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ANSYS电磁场分析培训解读
用 ANSYS/Emag进行电磁场分析
2.2-6
• 1/4模型与全模型比较 – 磁通密度分布相同 – 贮能为1/4 – 所示线圈上的Lorentz力 1/2 – 作用在极面上力为1/2
B
B
励磁体1/4对称模型
用 ANSYS/Emag进行电磁场分析
2.2-7
• 单元plane13 and plane53 用于模拟2D 磁场 – Plane13: 4 节点四边形 • 耦合场自由度：温度，结构，磁 • 电源为Z方向 • B 为线性变化 • 适用于：
2.2-13
– 磁力线描述 • 平面: AZ等值线 • 轴对称: r AZ 等值线
平面或 轴对称 ?
电枢
线圈
定子
用 ANSYS/Emag进行电磁场分析
平面或 轴对称 ?
2.2-14
– 力、能量、电感的描述 • 平面: 单位长度 • 轴对称: 整个圆周上的值
– 力: • 轴对称: – 无有效径向力（相互平衡） – 单位弧度力不为零（曲度线圈）
Plane13
• 螺线管磁体（致动器） • 直线或旋转电机 • 负载机械 • 机械力矩
• 变压器 • 汇流排 • 传感器 • 线性或任意 • 永磁系统
用 ANSYS/Emag进行电磁场分析
2.2-8
– plane53: 8 节点，四边形 • 耦合场自由度: –磁 – 与电路单元耦合 • 电流为 Z 方向 • B 可为二次非线性变化 • 通常情况下的推荐使用单元 • 适用于精度要求较高的分析 – 场量分析 – 大型机械力矩
用 ANSYS/Emag进行电磁场分析
2.2-12
– 平面与轴对称比较 – 端部效应
• 平面: 不包括 • 轴对称: 自动包括 – 正向电流方向相反
ANSYS电场分析教程
ANSYS电场分析教程ANSYS是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以进行多种物理场的数值模拟和分析。
其中，电场分析是ANSYS的一个重要功能之一，可以帮助工程师和设计师评估电场中的电场分布、电势分布、电场力线、电场强度等参数。
本教程将介绍如何使用ANSYS进行电场分析。
首先，打开ANSYS软件，并选择要进行分析的设备和模型。
对于电场分析，通常需要导入一个几何模型，其中包含了设备的形状和材料信息。
在ANSYS的界面中，点击"File"，然后选择"Open"来打开一个已有的模型文件，或者点击"Geometry"，然后选择"New Geometry"来创建一个新的模型。
当导入或创建模型完成后，可以开始进行电场分析。
首先，需要定义边界条件。
边界条件包括设备的电势和电荷等信息。
在ANSYS的界面中，点击"Physics"，然后选择"Electric"来进入电场分析模式。
选定电场分析模式后，可以选择边界条件。
点击"Boundary Settings"，然后选择"Voltage"来定义设备的电势分布。
可以设置不同的电势值或选择特定的电势分布模式。
接下来，需要定义电荷分布。
点击"Boundary Settings"，然后选择"Charge Density"来定义电荷分布。
可以设置不同的电荷密度或选择特定的电荷分布模式。
边界条件定义完成后，可以进行电场分析计算。
点击"Solver"，然后选择"Run"来启动计算过程。
ANSYS将根据设定的边界条件和模型信息，进行电场分布的计算。
计算完成后，可以得到电场分布图与相关的数据结果。
在电场分析结果中，可以观察和评估电场的分布情况。
基于ANSYS的直流励磁电机电磁场分析与计算
组 。 经过 适 当迭 代 后 ， 过 收 敛求 得 节 点磁 位 值 ， 通过 有 限 元 通 再 后 处 理求 得 所 需 场 量 。
２ 实 例分 析
的励 磁 绕组 与 电枢 绕 组 串联 ， 励 磁 电 流 就 是 电枢 电流 ， 内部 其 其 磁 场 随 负载 的变 化 而 变 化 ，利 用 传 统 磁 路 法 对 电 机 内 部 电 磁场
电 磁场 分 析 问题 是 求 解 给定 边界 条 件 下 的麦 克 斯 韦 方 程组 问题 。电 机 电磁 场 分 析 采 用 比 场 量更 容 易 建 立 边 界 条 件 的 位 函 数 （ 来 进 行 分 析 计算 。在 二 维 电磁 场 中 ， 面场 域 Ｑ 内 的 电磁 Ａ） 平 场 问 题 转化 为 以下 边 值 问题 ：
ｎ击 卜 ：
转 子结 构 尺 寸 及槽 形数 据 ：
Ｄ ＝ ７（ ａ ５ｍｍ）
ＣＸ＝ １
Ｄ ＝ １（ Ｏ ｍｍ） ９
Ｑ＝２９
Ｌ ＝４ （ ａ ０ｍｍ） ｇ ＝ ０６ （ ０ ｍｍ） ｂ ＝１ （ ｍｍ） ｈ２ １１ （ ２ ０ ．０ ｍｍ） ＝ ｒ＝ Ｏｍｍ） ｒ＝ Ｏｍｍ） ２ １５ （ １ ２ １５ （ ２ ｈ ７０ （ ＝ ０ｍｍ） ｈ＝ （ ２０ｍｍ）
１２ ０
基 于 Ａ Ｓ Ｓ的直 流 励 磁 电机 电磁 场 分析 与 计 算 Ｎ Ｙ
基于 Ａ Ｓ的直流励磁电机电磁场分析与计算 Ｓ ＮＹ
Ｅｅ ｔＯ Ｉｃ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｉｌ ｎ Ｓ ｒ ｓ Ｅ ｃｔ ｄ ｇ ｅ ｉ Ｆｅ ｄ ｉ ｅ ｉ ｘ ｉ ＤＣ ｃ ｅ ｅ Ｍｏ ｏ Ｂ ｓ ｄ Ｏ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｅ Ｒ Ａｎ ｙ
分 析 不 够准 确 。 保 证计 算 的准 确 ， 用 有 限元 法 对 电机 内部 电 为 采
基于ANSYS的永磁直线同步电机的电磁仿真与分析
第 ２期
南 京 工 程 学 院 学 报 （自然 科 学 版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆＮ ｎｉｇＩｓｉｔ ｆ ｅｈ ｏｏｙ Ｎａｕａ ｃｅｃ ｄｔ ｎ ｏｒａ ｏ ａｊ ｎｔｕｅｏ ｃ ｎｌｇ （ ｔｒ ＳｉｎｅＥ ｉｏ ） ｎ ｔ Ｔ ｌ ｉ
Ｖｏ ． ０． ． １ １ Ｎｏ ２
ｕ ｉ ｇ ＡＮＡＳ ，ａ ｆ ｉ ｌ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｓ ｆ ｒ ｅ ｔｏ ．Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉｎ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｆ ｔｅ ＡＮＡ Ｙ ｒｖ ｄ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｓｎ ＹＳ ｉ ｔ ｅ ｅ ｎ ｎ ｓ ｏｔ ｎｅ ｌ ｓ ｗａ ｏ １ ｈ ｉ ｌ ｔ ｎ ｎ ｌｓｓ ｏ ｏ ｈ Ｓ Ｓ ｐ ｏ ｉ ｅ ｄｓｒ ｕ ｉ ｉ ｏ
ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｓ ａ ｄ ｌｗ ｏ ｌｃｒ ｍａ ｎ ｔ ｅｄ ｆ ｔ ｅ ｉ ｎ ｒ ｓ ｅ ｏ ＭＬ Ｍ． Ａｎ ｈ ｎ ｆ ｒｅ ａ ａｙ ｉ ｏ ＭＬ Ｍ ｓ ｈ ｒｃ ｅ ｓｉ ｎ ａ ｆ ｅｅ ｔ ｉ ｃ ｏ ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｓ ｏ ｈ ｎ ｅ ｉ ｆ Ｐ Ｓ ｃｉ ｄ ｄ ｔ ｅ ｏ ｃ ｎ ｓｓ ｆ Ｐ Ｓ ｉ ｌ ｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｂ ｄ ｐ ｉｇ Ｍａ ｗ ｌ ｓ ｅ ｓ ｔｎ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｕ ｒ ｔｏ ， ａｍｅ ｔｐ ｖｄ ｎ ｈ ｏ ｅｉａ ａ ｉ ｆｒ ｏ ｄ ｃｅ ｙ ａ ｏ ｔ ｘ ｅｌ ｔ ｓ ｅ ｓ ｒｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｖ ｒ ａ ｗｏ ｋ ｍｅｈ ｄ ｎ ｒ ｔｌ ｉ ｄ ａ ｒ ｉ ｉｇ ａ ｔ ｅ ｒｔｃ ｂ ｓｓ ｏ ｏ ｌ
永磁直线 同步电机是直接产生直线运动的电磁装置 ， 它可以看成是从旋转 电机演化而来 ， 把旋转 设想
电机沿径 向剖开 ， 并将 圆周展开成直线 ， 就得到了直线 电机 ， Ｊ具有高速 、 高加速度 、 定位精度高和行程不
基于ANSYS的开关磁阻电机电磁场特性分析方法
ＡＮＳ ＹＳ是非常流行 的有限元分析 商业软件 包，可以进行 空气气 隙的相 对磁导率 近似等于真空 中的相对磁导 率，其为 １ 。 结 构分 析、热 分析、 流体 分析、电磁场 分析和 多物理 场分析， 在弹出的窗 口中点击 Ｍａｅｉｌ ｔｒａ 菜单 ，打开 下拉列表并选择 Ｎ ｗ ｅ 是惟一 真正实现多场耦合的计算机辅助工程 （ ＡＥ 软件。一个 Ｍｏ ｅ 即可 增 加一 种 属性 的材 料 。 Ｊ Ｃ ） ｄｌ 典型 的 ＡＮＳ ＹＳ分析过 程可分为 ： 建有限元模 型、施加载 荷 创 进行求解 、查看分析结果等三个步骤。
应用前景十分广阔，是当代运 动控 制系统研 究的热点之一。 虽 窗 口中进行创建圆环面域命令的设置 。其 中包括 圆环面域所在 然开 关型磁 阻电机结构 简单 ，其 电磁 关系却很复杂。开关磁阻 圆心和圆环 面域内、外径 的设置 。
电机 双凸极的定转子结构决 定了其气隙的不均匀，正常运行 时 ຫໍສະໝຸດ 分析 。 １单元设 置 ．
的窗 口中进行工作平面的平移和坐标平面的旋 转操 作，其中 Ｘ，
Ｙ ｆｓｔ 命令行设 置为 ０ ｆ／ ，０（ 为定子极宽 ） ＸＹ ，ｚ Ｏ ｆｅｓ ， ｓ２ ｌ ； ，
在前处理器 Ｐ ｅ ｒｃ ｓｏ ｒｐ ｏ ｅｓｒ中单击 Ｅｅ ｎ ｙ ｅ ｌｍｅ ｔＴ ｐ 选项设置 Ｙ Ｚ，Ｚ Ａｎ ｌ Ｘ ｇｅ ｓ命令行 设 置为 ０ ０ ，其将 Ｙ ，９ ，０ ＯＺ坐 标平 单元类型 ，展开菜单后选择 Ａ ｄ Ｅ ｉ Ｄｅ ｔ 选 项，在弹出的 面绕 Ｘ轴线正向旋转 ９ ｄ ／ ｄｔ ｌ ｅ ／ ｅ ０度 。 窗 口中增加分析所需的单元 类型 ，此处选 择 ８节点四边形单元
杨 志超 （９０ ） 男， 南京工 程学院 电力工程 学院 ，副教 授 ，主要 研 究方 向 ：电气工程 及其 自 １６－ ， 动化 。 （ 苏 南京 ２ １ ７ 江 １１ ） ６
基于ANSYS的永磁直线同步电机的电磁仿真与分析
基于ANSYS的永磁直线同步电机的电磁仿真与分析金晓华【摘要】Analysis and calculation of electromagnetic fields are regarded as a central premise of electrical machinery design. This paper attempts to analyze the magnetic Helds of permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM） by using ANASYS, a finite element analysis software tool. The simulation and analysis of the ANASYS provide distribution characteristics and law of electromagnetic fields of the inner side of PMLSM. And then force analysis of PMLSM is conducted by adopting Maxwell stress tensor method and virtual work method, aimed at providing a theoretical basis for impreving the force ripple of PMLSM.%电磁场分析计算是电机设计的重要前提，应用ANSYS有限元分析软件对一台永磁直线同步电机电磁场进行分析．通过ANSYS软件的仿真与分析，获得永磁直线同步电机内部电磁场分布特点和规律，再结合麦克斯韦应力张量法和虚功法对永磁直线同步电机进行推力分析，为改善永磁直线同步电机的推力波动提供重要的理论基础．【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(010)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】永磁直线同步电机;ANSYS;有限元;推力波动【作者】金晓华【作者单位】南京工程学院电力工程学院,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TM359.4永磁直线同步电机是直接产生直线运动的电磁装置，它可以看成是从旋转电机演化而来，设想把旋转电机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电机［1］，具有高速、高加速度、定位精度高和行程不受限制等优点，广泛应用于数控机床进给系统.但是永磁直线同步电机自身独有结构特点，其空载反电动势波形、端部效应、齿槽效应等，较易产生推力波动.推力波动问题是直线同步电机在实际应用中的关键点，传统的磁路法、图解法等很难精确计算直线电机电磁场量的分布，更不能精确求得其推力［2］.为从源头解决永磁直线同步电机的推力波动问题，本文将借助于有限元法求得电磁场的近似解.以永磁直线同步电机为模型计算电机的电磁场，其具体参数为:电机永磁体部分采用钕铁硼，其磁感应矫顽力Hc为870 kA/m;电机槽数为12槽;相数3;气隙0.8 mm;槽宽8 mm;槽深25 mm;齿间距15 mm;极距14 mm;永磁体高4 mm;永磁铁宽14 mm;永磁铁长120 mm;铁心高度42 mm;铁心长度180 mm.1 永磁直线同步电机电磁场计算为了建立合适的电磁场分析模型，根据永磁直线同步电机的特点和实际计算需要，将其作一定的假设［3-4］:1)磁路为线性，不考虑磁饱和效应;2)初级铁芯表面光滑;3)动子轭和定子轭部分各向磁导率同性，分别为μ1和μ2;4)永磁体X方向和Y方向上的磁导率等于空气隙磁导率μ0，且所有部分电导率为0;5)忽略Z轴方向磁场变化，各电流仅在Z轴方向流动，即只有Z向分量，因此，将电机实际三维场转化为平面二维场的问题进行分析．应用ANSYS软件计算电机的电磁场，首先用命令流形式编写了永磁直线同步电机的电磁场计算程序，程序分为前处理、求解、后处理三个部分.1.1 前处理选择单元类型为二维实体单元PLANE53，选择国际单位制(MKS)作为电磁场分析的单位制，定义空气\初级铁心\次级铁心\永磁体\线圈的材料属性，其中初级铁心为非线性材料(硅钢片DW310-35)，定义电机模型尺寸的相关参数.在直线电机中，由于纵向端部的存在，磁路不再呈现周期对称性，要准确计算直线电机的磁场分布，必须对整个初级和次级进行建模.此外，由于直线电机的敞开式结构，除气隙外，模型中还应该包括适当的介质——空气，先建立直线电机的几何模型，实现智能剖分网格，然后选择需要精细剖分的区域进行网格细剖，这样，就形成了直线电机的有限元分析模型，如图1所示.图2是局部剖分图，从中可以看出，电机模型的初级扼靠近空气部分划分比较均匀，越靠近线圈部分，划分的越细密，这样有利于进行更细致的求解.1.2 求解首先在有限元分析模型的边界节点处加载边界条件.在图1所示的直线同步电机模型中，将长端边界设置为一类边界条件，Az=0;将短端边界设置为周期性边界条件，且两端相等.通过将短边设置为周期性边界条件，可减小计算的工作量.然后为绕组加载电流源密度，考虑到永磁同步直线电机作为数控机床的精密伺服元件，在对电机进行矢量控制策略时，加载的电流源密度要符合控制策略.求解时需选择合适的求解直线电磁场问题的求解器，进行电磁场求解.1.3 后处理绘出二维磁力线分布图，如图3所示.由图可知，入端磁力线比出端磁力线稀疏，这正是边端效应的真实反映.磁力线经过电机扼部、电机齿部进入空气隙，并穿入次级导轨，再从另一个电机齿部进入电机扼部，最终完成一个极的磁通线闭合，这个过程是与普通旋转电机理论相符合的.通过选择查看磁场密度的矢量图后，可看到模型中的磁密矢量的大小和方向，如图4所示，图中颜色强度的变化代表模型中不同部位磁感应强度的大小，本文研究的永磁直线同步电机的大部分气隙磁密值约在0.61 T左右.2 推力分析推力是永磁直线同步电机非常重要的性能参数指标.在电磁场理论中，计算电磁力的基本方法有麦克斯韦应力张量法(Maxwell stress tensor，简称 MX)和虚功法(virtual work method，简称 VM)［4-6］.2.1 麦克斯韦应力张量法［7］根据麦克斯韦的观点，可以把作用在媒质任意区域上的体积力归结为这个区域表面S所受到的张力．如果两种媒质的磁导率为μa和μb，则在磁场中作用于物体表面上的力［4］为式中:Bn为磁通密度在S平面的法向量;Ht为磁场强度在S平面的的切向量，力的方向由磁导率大的介质指向磁导率小的介质．当两种介质分别是铁磁材料与空气时，力的表达式变为且F的方向总是由铁芯指向空气．2.2 虚功法虚功法是基于能量守恒原理与虚位移原理的一种计算电磁力的方法．当电磁装置的某一部分发生微小位移时(既可以是真位移，也可以是虚位移)，如在恒电流或恒磁链的条件下，整个系统的磁能会随之变化，则该部分就会受到电磁力作用．电磁力的大小等于单位微增位移时磁共能的增量(电流约束为常量)或单位微增位移时磁能的增量(磁链约束为常量)．当用有限元方法计算并假设磁链约束为常量时，用矢量磁势计算比较方便．磁场中物体所受力可表示为式中:Wm为磁场储能;ψ为磁链;x为位移;xk为虚位移．2.3 推力分析ANSYS软件包可方便地自动应用麦克斯韦应力张量法和虚功法计算得出电机模型的推力.在软件中定义定子电流的初始相位角和动子位移均为0，可得到两种计算方法下的推力仿真计算结果，如图5、图6所示，是所仿真分析的直线电机在气隙从0.5 mm变化到1.0 mm时的推力比较结果.通过图5和图6的仿真结果可以看出，麦克斯韦应力张量法和虚功法直线电机的推力计算的结果一致，当电机气隙从0.5 mm逐步增加到1.0 mm时，定位力也逐步增加.由于工艺要求和推力优化的角度考虑，选择气隙0.8 mm为最佳参数.通过获取不同气隙时的定位力，合理改变电流，这样可改善直线电机因气隙发生变化而导致的稳定性.在优化电机尺寸下获取电机的磁链数据，如图7所示，三相磁链为正弦波，且对称，这与永磁直线同步电机的工作原理一致.当电机工作电流增加至10 A时［8］，计算此时的永磁直线电机的推力，如图8所示，推力约为300 N左右，且波动比较小，可保证直线同步电机的稳定运行.此外，由图还可知，推力波动是位置的周期函数，推力波动的幅值随初级电流的增加而增加.由此可见，永磁直线同步电机的端部效应所引起的推力波动特性是一种周期性时变函数.另外，从图8还可知，采用虚功法仿真分析比麦克斯韦应力张量法分析得出的推力计算结果大致多10 N的力，且随着电角度的变化始终保持比较稳定的差值，这是与建模时电机模型的网格划分精度相关的，在提高网格划分精度后，两者的差值将会进一步缩小.3 结语本文利用ANSYS软件，首先建立永磁直线同步电机的有限元仿真模型，采用ANSYS软件分析了永磁直线同步电机内的磁场分布，并用麦克斯韦应力张量法和虚功法优化了定位力，计算有载时推力，为永磁直线同步电机的设计、优化以及推力控制和改善提供了有益参考.参考文献:【相关文献】［1］叶云岳.直线电机原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2000.［2］林健，左健民，汪木兰.直线电机应用于高速加工的关键技术［J］.现代制造工程，2007(4):114-118.［3］许智斌，方进，赵佳.直线感应电机的有限元仿真与分析［J］.微电机，2010，43(5):6-9. ［4］汤蕴缪.电机电磁场的分析与计算［M］.北京:机械工业出版社，2010.［5］戴魏，余海涛，胡敏强.基于虚功法的直线同步电机电磁力计算［J］.中国电机工程学报，2006，26(22):110-114.［6］黄明星，叶云岳.永磁电励混合励磁直线同步电机磁场的有限元分析［J］.机电工程，2004，21(11):34-38.［7］李庆雷，王先逵，吴丹.永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算［J］.清华大学学报，2000，40(5):20-23.［8］戴魏，余海涛，胡敏强.直线同步电机运行分析［J］.电机与控制学报，2007，11(3):240-243.。
基于ANSYS的异步电动机电磁场分析
（ ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａ ｉａ Ｅ ｇ ｅ ｒ ｇａ ｄＡ ｔｍ ｔ ｎ Ｆ ｚ ｏ ｎｖ ｒ ｔ， ｕｉｎ３ ０ ０ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｈ ｎｃｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ｎ ｕ ａ ｏ ， ｕ ｈ ｕＵ ｉｅ ｉ Ｆ ｊ ５ １ ８ Ｃ ｉａ Ｍｅ ｎ ｉ ｏ ｉ ｓｙ ａ
ｔｅ ｉｄｕ ｔｏ ｔｒ ｏ ｇｎ ｈ ｐ ｎｄ ｃ ｒ ａ ｕ ａｉ ｎ，ｈ ｎ ｕ ｔ ｎ ｍｏｏ ｓ ａ ａｙ ｅ ｙ ｕ ｉｇ ｈ ｒ ｎｉ ｉ ａｉｎ ｈ ｎ ｃｉｎ ｍｏｏ ｓ ｃ ｇ ｉ ｇ ｓ ａ ｅ ａ ｏｅ ｓ ｔ ｒ ｔ ｏ ｔ ｅ ｉｄ ｃ ｉ ｔｒｗａ ｎ ｌｚ ｄ ｂ ｓｎ ａ ｍｏ ｃ ｓｍｕｌｔ ｏ ｏ
优化 设计 奠定基 础 。
关 键词 ： 步 电动机 ； 异 场路耦合 ； 电磁 场 ； Ｎ Ｙ Ａ ＳＳ
中图分类号 ： Ｍ ４ Ｔ ３３ 文献标 识码 ： Ｂ
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈ ｅ ｔ ｏ ａ ｎ ｔｃ Ｆｉｌ ｆ ａ ｙ ｃ ｏ ｕｓ Ｍ ｏ ｏ ｓ ｄ ｏ ａ ｙ ｉ ｆｔ ｅ Ｅｌｃ ｒ ｍ ｇ ｅ ｉ ｅ ｄ ｏ ｎ Ａｓ ｎ ｈｒ ｎｏ ｔ ｒ Ｂａ ｅ ｎ ＡＮＳＹＳ ＷＡ ｈ ｉ ａ Ｃ Ｎ Ｄ — ｅ ＮＧ Ｓ ｕ— ＨＥ ｅｗ ｉ ｆ
ANSYS分析实例C
•
这里只研究电机转速恒定情况，用有限元法进行电机
的电磁场分析，要模拟电机定、转子之间的相对运动。这
里使用运动边界法，即假设定子模型静止不动，让转子部
分旋转，和真实情况一样。具体如下：气隙模型中有一条
定、转子网格重合的公共运动边界，分别为定、转子的运
动边界上的节点编号，并且保证相邻节点径向间距相等，
磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁
通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的计
算，然后用各种系数修正，使各段磁路的磁位差等于磁场
中对应点之间的磁位差；
•
二、电磁场数值计算中的有限元法。有限元法是当今
数值计算领域应用最为广泛、最为成熟的一种计算方法,
其最大的优点是通用性强、精度高，可以进行专门问题的
某某某项目研讨会
演讲人：*************
一 、永 磁 电 机 电 磁 计 算
1.基本的思想和分析原则
大型电机和特种电机的设计技术都有了巨大的进步，电 机各项参数计算的精度要求越来越高，设计研发的周期越来 越短，传统的分析计算不能很好的满足上述要求。
有限元法作为一种电机电磁场数值解法臻于完善，其应 用也越来越广泛。作为一种近似的数值计算方法，有限元法 的计算精度很大程度上取决于网格剖分的疏密程度。对于一 台电机若采用三维模型计算，其计算量很大，不利于调试。
磁电机在冲击电流产生的电枢反应作用下，或者过高（钕
铁硼永磁）过低（铁氧体永磁）温度时，可能造成永磁体 的不可逆退磁，使电机性能降低甚至无法使用。
•
永磁同步发电机在正常工作时，电枢磁场的轴线和永
磁体的轴线一般不重合（我方采用的发电机为外转子旋转
磁极式），通常磁钢磁场的轴线位置超前电枢磁场的轴线
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析
发表时间：2007-9-11 作者: 黄劭刚夏永洪张景明来源: 万方数据
关键字: APDL语言同步发电机电磁场有限元
介绍了应用ANSYS自带的APDL编程语言进行软件开发，将该软件应用于同步发电机空载磁场分析中，在电机的电磁场计算中实现了电机的自动旋转、自动施加载荷的功能，使用、修改方便，并且计算速度快。
通过对电磁场计算结果的后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。
样机测试结果验证了分析结果的正确。
1 前言
ANSYS软件是一个功能强大、灵活的，融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。
广泛用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程等一般工业及科学研究领域的设计分析。
在实际的电机电磁场分析中，电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定，但是当转子相对十定子齿槽的位置不同时一，其计算结果也不相同。
为了分析电机电磁场问题，若把定、转子相对位置固定不变进行求解，再对电磁场计算结果进行傅立叶级数分解来计算电机绕组的电势则误差太大。
为此，需要对定、转子不同位置时一分别进行计算，然后通过电磁场的计算结果求出电机何个定子齿部磁通随转角变化的关系，然后根据磁通的变化率求出电机基波绕组的电势。
ANSYS软件是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，应用ANSYS软件来分析电机电磁场是非常有效的。
但是当采用ANSYS软件的图形用户界面( GUI)操作方式时，每次定、转子之间的旋转、网格剖分、施加载荷进行求解、查看计算结果等都需要人工进行重复操作，使用起来非常繁琐，并且效率低。
为此，木文采用ANSYS软件的APDL语言编写的软件对同步发电机的空载磁场进行研究，实现了电机定、转子之间的自动旋转，自动网格剖分，自动施加载荷以及自动求解的功能。
整个电磁场分析过程无需人工进行干预，使用方便，便于修改，并且大大提高了计算速度。
通过对同步发电机电磁场计算结果进行后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。
2 软件实现
ANSYS软件提供了图形用户界面与命令流两种方式来分析电机电磁场问题。
在电机电磁场计算中，命令流方式和图形用户界面方式相比，具有以下优点:(1)通用性好，对于同系列、同型号的电机电磁场计算只要对电机的尺寸参数进行修改即可，而采用ANSYS的图形用户界面方式进行电机电磁场计算，每次计算都要重新输入图形，没有通用性;(2)通过合理应用ANSYS的APDL语言编写一个两重循环程序就可实现转子自动旋转和自动施加励磁电流的功能，与ANSYS
的图形用户界面方式相比，减少了人机交互的次数，缩短了计算时间。
2.1软件编写
ANSYS软件自带的APDL语言的编写方法有两种，一种是对ANSYS软件的命令及相关参数非常熟悉的情况下，只需在一个新建的文本文档中直接编写;另一种是对ANSYS软件的命令及相关参数不很清楚的情况下命令流程序的编写。
由于ANSYS软件提供的图形用户界面与命令流这两种方式之间是一一对应的，也就是说，当执行一步图形用户界面操作，ANSYS软件就会自动把相应的命令保存所设置的工作文件中，然后将该命令拷贝到一个新建的文木文档中，保存起来。
具体操作为【List】-【File】-【Log File】。
这样，只需要使用一次完整的图形用户界面操作，就可以编写出相应的命令流程序。
本文将ANSYS的APDL语言应用于同步发电机空载磁场中，为了计算准确，在同一个励磁电流下，在一个定子齿距内均分20等份，对何一等份计算一次电机电磁场;也就是说计算20个定、转子不同位置时一的电机电磁场。
软件的流程图如图1所示。
流程图中N1表不一个定子齿距内均等份数，N2表不施加励磁电流的个数(工祝数)I、J表示循环变量。
2.2软件调用
在ANSYS软件环境下点击菜单[File]-[Readlnput From]，在系统弹出的对话框中，选中所保存的文件名后，点击OK按钮。
3 同步发电机空载磁场有限元分析
电机内部的电磁场分布较为复杂，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差。
为保证计算的准确性，一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。
在同步发电机空载电磁场计算中，为了便于计算电机旋转时一的磁场变
化，没有利用电机磁场的对称性和周期性对电机的一个磁极进行电磁场分析，而是对电机的整体进行二维电磁场分析。
场域剖分采用四边形八节点形式，并且采用矢量磁位Az来求解。
现对电机作如下假设:
(1)采用二维场模拟实际磁场，选取MKS国际单位制，直角坐标系;
(2)对定子槽口、定子扇形片的圆角及磁极冲片部分圆角、倒角等细微之处作近似处理;
(3)忽略装配误差;
(4)不计交变磁场在导电材料中如定子绕组、铁心冲片及机座中的涡流反应，因此同步发电机的磁场可作为非线性稳定磁场来处理;
(5)铁心里的磁导率是各相同性的。
在上述假设的前提下，得到下列非线性泊松方程边界条件:
同步电机空载的气隙磁场不仅与励磁电流的大小有关，而且与转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小和铁磁材料的饱和有关。
在实际的电磁场分析中，电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定，但是当转子相对于定子齿槽的位置不同时，其计算结果也不相同。
图2~图5分别给出了同一电机转子相对于定子齿槽位置不同时的两种情况及其对应位置下气隙磁密B随转子旋转角度变化的波形。
从图中可以看出，定、转子位置不同时的气隙磁密波形也不相同。
因此定、转子相对位置固定不变进行求解，然后再对气隙磁密进行傅氏级数分解来计算电机绕组的电势是不准确的。
4 计算结果和实验
为了详细说明应用ANSYS的APDL语言编写的软件在同步发电机空载磁场中的应用，本文采用的样机参数如下:额定功率PN=30 kW ,额定电压UN = 400 V ,额定频率fN =50 Hz ,额定电流Ir =54. 1 A，功率因数cosΦ=0.8;定子槽数z=36。
根据计算出的矢量磁位AZ的值进行后处理，先求出何一个齿下的磁通随转角变化的波形，然后根据齿磁通与主磁通和绕组磁链的关系，求出主磁通波形、绕组磁链波形、旋转磁场波形(如图6所示)、基波绕组电压波形(如图7所示)，并计算出基波绕组电压有效值(如表1所示)。
从图中可以看出:由于绕组的分布和短距，其基波电势波形的谐波分量比旋转磁场的谐波分量大幅度降低。
从表中可看出，主绕组电压有效值计算结果与实验结果误差较小，满足了国家规定的误差低于5%的要求。
5 结论
ANSYS软件是一种功能强大的有限元分析软件，具有较高的分析精度，可以灵活方便地对电磁场问题进行分析和计算。
根据有限元原理，应用ANSYS 自带的APDL语言编写的软件对同步发电机电磁场进行了大量的计算，其计算结果与实验结果误差较小，因此应用ANSYS的APDL语言开发的软件对电机进行研究具有较强的现实意义。