电磁场数值分析作业

注：考生属哪种类别请划“√”
（博士、在校硕士、工程硕士、师资硕士、同等学力、研究生班）
辽宁工程技术大学
研究生考试试卷
考试科目：电磁场数值分析
考生班级：电控研
考生姓名：
学号：
考试分数：
注意事项
1、考前研究生将上述项目填写清楚
2、字迹要清楚，保持卷面清洁
3、试题、试卷一齐交监考老师
4、教师将试题、试卷、成绩单，一起送研究生学院；
专业课报所在院、系
直流无刷电机的内部电磁分析
1提出问题
在电磁学里，电磁场是一种由带电物体产生的一种物理场。

处于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。

电磁场与带电物体之间的相互作用可以用麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述。

电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。

随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。

电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总以光速向四周传播，形成电磁波。

电磁场是电磁作用的媒介，具有能量和动量，是物质存在的一种形式，电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程确定。

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: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;
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。

电机的电磁分析，常用的软件是Maxwell，他是一个功能强大、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、国防军工、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。

本次作业中，将对直流无刷电机的内部电磁进行分析，采用Maxwell3D来建模，并进行磁场分析。

2直流无刷电机
直流无刷电机被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。

顾名思义，直流无刷电机不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中直流无刷电机相比有刷电机有许多
的优点，比如：
·能获得更好的扭矩转速特性；
·高速动态响应；
·高效率；
·长寿命；
·低噪声；
·高转速。

直流无刷电机由定子转子以及霍尔传感器组成。

直流无刷电机定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，定子是2至8对永磁体按照N 极和S 极交替排列在转子周围构成的（内转子型），如果是外转子型直流无刷电机那么就是贴在转子内壁，与有刷直流电机不同，无刷直流电机使用电子方式换向。

要使无刷直流电机转起来，必须要按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。

定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。

通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。

无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。

3矢量泊松方程
1）选取第一类边界条件
边界上的物理条件直接规定了物理量u 在边界上的值，即
1Γ：()()G u s u s =1()
s ∈Γ式中，()G u s 为边界上给定的函数分布。

2）矢量泊松方程
为了达到矢量磁位A 与磁感应强度B 之间关系的相互单值性，对于稳态磁场，引入库仑规范
A ∇⨯=利用矢量恒等式()()()A A A ∇⨯∇⨯=∇∇-∇∇，则双旋度方程可转化为矢量泊松，即
()A J
ν∇∇=-对于直角坐标系，可写作
A A A J x x y y z z ννν⎡⎤⎛⎫∂⎡∂⎤∂∂∂⎡∂⎤⎛⎫⎛⎫++=-⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎢⎥⎢⎥∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦
⎝⎭⎣⎦写成分量形式，可得到三个方程
x x x x A A A J x x y
y z z ννν⎡⎤⎛⎫⎡∂⎤∂⎡∂⎤∂∂∂⎛⎫⎛⎫++=-⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎢⎥⎢⎥∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎝⎭⎣⎦y y y y A A A J x x
y y z z ννν⎡∂⎤⎡∂⎤⎡∂⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫∂∂∂++=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎣⎦z z z z A A A J x x y y z z
ννν⎡⎤⎛⎫⎡∂⎤∂⎡∂⎤∂∂∂⎛⎫⎛⎫++=-⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎢⎥⎢⎥∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎝⎭⎣⎦对于均匀线性介质，可简化为
2A=-J
ν∇4建立导体模型
采用maxwell3D 建立无刷直流电机3D 模型，通过静态磁场分析模型，该模型可调用模型库中的现有模型，其参数如下图：
图1参数图
图2模型图
5仿真计算磁场
1）定义材料属性
设背景为静电场
图3静电场
设置电机的材料为镍，其数据如下图
图4材料属性
2）施加边界条件与激励
设置激励电流100A。

设置计算域为10。

设置边界条件。

设置自适应计算参数：最大迭代次数15，误差要求百分之一，每次迭代加密剖分单元比例百分之三十。

图5设置激励电流
图6施加计算域
图7自适应计算参数
3）求解计算
进行检查并仿真后得到模型的收敛信息数据图和划分网格信息。

图8收敛图
图9网格表
对电机XY轴进行电磁分析
图10分析设定
图11开始分析
图12模型磁力线分布图。