基于Maxwell与Simplo...

基于Maxwell与Simplo...
一、写在前面
本文是笔者之前写给ANSYS 官方案例文档（精简版），文章比较长，请大家选择性观看。

对于那些已经报名且学完了我的线上课程《ANSYS Maxwell技能培训10讲，掌握Maxwell十大仿真分析能力》的200+位学员，请联系仿真小助手索要模型认真练习，遇到疑问，欢迎在VIP群交流。

二、前言
本章以异步电机的启动计算为例，运用ANSYS19.0，先在RMxprt模块进行电机设计，并完成计算。

再利用RMxprt模块与二维和三维模块之间强大的无缝链接技术，将RMxprt中的电机模型一键导入到Maxwell 2D模块，在Maxwell 2D模块进行有限元分析计算。

最后在Simplorer中建立电路与Maxwell 2D中的电机模型进行场路耦合联合仿真，从而计算异步电机启动后突加负载时三相电流磁链等的变化情况。

三、设计目标
异步电机是应用最为广泛的电机类型之一，广泛应用于冶金、煤炭、矿山、机械和油田等各个工业生产领域。

在本例中采用国标Y系列作为计算样机，先在RMxprt模块中建立基本样机模型，再送入Maxwell 2D模块进行有限元分析。

以一台55kW的三相异步电机为例，该电机的定子和转子铁芯轴长为255mm，铁芯材料采用热轧硅钢片D23。

定子绕组采用三相60度相带，线规为Φ1.4铜线，5股作为1匝，每槽22匝，双层绕组，节距为11。

通过本例的学习，希望读者能掌握电机在RMxprt中的建模计算、模型导入Maxwell 2D的方法以及与simplorer外电路进行场路耦合等。

读者可以尝试运用这些方法技巧建立其他电机模型进行计算分析，包括永磁无刷直流电机、永磁同步电机、磁阻电机。

四、操作步骤
1、新建工程
打开ANSYS仿真软件，找到Maxwell模块对应的图标，单击图标中的下三角，选择RMxprt模块，在弹出的电机类型选择窗口中选择“Three-Phase Induction Motor”，点击“OK”确定。

鼠标单击菜单栏左上角的“File”，在下拉菜单中选中“Save”，在弹出的对话框中选择文件的保存地址并将文件命名为“55kw”。

至此便新建了一个RMxprt项目，可以在软件左侧的Project Manager中看到新生成的电机模型工程树：
2、设置电机参数
1)设置Machine项
鼠标左键双击电机模型工程树下的“Machine”项，在弹出的对话框中依次填入电机各参数对应的数值。

图中Number of Poles项指的是电机的极数，本例中电机极数为4；Stray Loss Factor代表电机杂散损耗百分比，在本例中取0.01；Frictional Loss代表电机的机械摩擦损耗，初步估算为260W；Windage Loss代表电机的风摩擦损耗，这里给定30W。

最后一项Reference Speed代表计算时的初始速度，程序需要将它作为有迭代循环时的初始值，而且该值不能高于同
步转速的值。

这里设置为1485rpm。

2)设置Stator项
鼠标左键双击电机模型工程树下的“Stator”项：
在弹出的对话框中完成对定子铁心主要参数的给定。

Outer Dimeter为电机定子铁心外径，本例电机外径为Φ400mm。

Inner Dimeter为电机定子铁心内径，这里设定为Φ260mm。

Length为电机定子铁心实际轴向长度，设定为255mm。

Stacking Factor为电机定子铁心叠压系数，设定为 0.95。

Steel Type为电机定子铁心冲片材料，设定为D23-50。

Number of Slots为电机定子槽数，设定为定子48槽。

Slot Type 为定子槽形代号，设定为2号槽型，2号槽型对应的是梨型槽。

Lamination Sectors为定子冲片的扇形分瓣数，这里设定为1，即定子冲片是一个整体。

Press Board Thickness为定子端部压板厚度，这里设定为0。

Skew Width为定子的斜槽数，在这里设定为0，即定
子不斜槽。

给电机定子设置材料类型的过程是，双击Steel Type项后面对应的“Not design”，就会弹出材料选择对话框。

在对话框的右上角可以看到多个系统材料库的名称，这里我们选中“[sys]RMxprt”，就可以在下面的众多材料中找到“D23_50”。

选中以后点击确定即可完成电机定子材料类型的选定。

单击电机模型工程树中Stator项前的“+”号，则会在工程树中出现下一级子项。

Stator下的子项有Slot槽型项和Winding绕组项：
双击Slot槽型项便会弹出如下图所示槽形参数对话框，在第一项的Auto Design 项后的单选框默认为已选择，所以在槽形参数栏中仅存在三项。

这里我们需要先将Auto Design项后的单选框中的对号取消，即不让软件进行槽形的自动设计，点击确定退出该对话框，然后再一次双击Slot项，弹出新对话框，此时便可将2号槽形的所有详细参数的数值填入到新的对话框中，如下图所示：
双击工程树中Stator项下Winding选项，便会弹出定子绕组设置对话框。

对话框中Winding Layers为绕组层数，这里定义为双层绕组，故其值设置为2。

Winding Type为绕组的匝间连接方式，共有三种，分别为Editor(用户自定义)、Whole-Coiled(全极式)和Half-Coiled(半极式)。

本例中样机为双层全极式绕组，单击Winding Type对应项选择“Whole-Coiled”即可。

Parallel Branches为绕组的并联支路数，按照样机绕组参数，设定为4。

Conduction perSlot为每槽匝数，本例样机为双层绕组，每槽22匝。

Coil Pitch为线圈节距，节距选为11。

Number of Strands为1匝线圈的并绕根数。

有时为了减小线圈的绕制、嵌线和端部整形的工艺难度，会用多根细铜线并绕作为1匝，该值表述的就是这个并绕根数，这里设置为5。

Wire Wrap为漆包线双边漆绝缘的厚度，设定为0.06，该值主要根据实际工艺指标更改，对定子槽满率有影响。

最后一项Wire Size为所用的铜导线线规。

双击对应项后弹出线规选择对话框。

接着在Gauge项后面对应的下拉菜单中选择“MIXED”,然后单击四次对话框左下角的“Add”按钮，便会生成四组空白线规填写项，填入相应的线径和该线径对应的数量即可。

点击定子绕组设置对话框左上角的“End/Insulation”,便会出现异步电动机定子绕组端部和槽绝缘设定选项。

Input Half-turn Length 为支持用户手工输入定子绕组的半匝长度。

当其被选中后会出现半匝长度输入对话框，默认单位为mm。

End Adjustment为绕组伸出铁心断面外的直线段长度，该值是个工艺量，主要是用来调节半匝长度的，初始可设定为22mm。

Base Inner Radius、Tip Inner Diameter 和 End Clearance均为端部绕组限定尺寸，在这里用户可以不必修改，软件会自动计算。

Slot Liner为槽绝缘厚度，本例样机采用的是单层DMD绝缘，设定厚度为0.3mm。

Wedge Thickness为定子槽楔厚度，在这里设定厚度为2mm。

Limited Fill Factor是最高定子槽满率，对于中小型电机，该值不宜过大。

软件默认 0.75mm，可维持此默认值。

至此，电机定子有关项的设置全部完成。

3)设置Rotor项
接下来的是电机转子各项参数。

双击工程树中的Rotor 项，会弹出Rotor 的参数输入对话框。

Stacking Factor为电机定子铁心叠压系数，设定为 0.95。

Number of Slots转子槽数，本例中转子槽数为44。

Slot Type为转子槽型代号，在这里选择2号槽型。

Outer Diameter为转子外径，设定为258.4mm。

Inner Diameter为转子内径，该电机转子内径为85mm。

Length为转子轴向长度，样机的定、转子铁心等长度，故该值设定为255mm。

Steel Type同定子铁芯一样设置为D23_50。

Skew Width为斜槽数，软件中的斜槽是以所斜过槽的个数为计量单位，这里设置转子斜过1个齿槽的距离。

Cast Rotor表示铸造转子。

样机转子为铸铝结构，所以选择了该项。

设定完Rotor项参数后，点击工程树中Rotor项前的加号，会在工程树中出现下属的两个子项，分别为Slot槽型项和Winding转子绕组项。

先进行Slot槽型的设置，在Rotor项中已经选择完2号槽型（下方左图为2号槽型图），双击Slot就可以在对话框中按照2号槽型直接输入相关参数。

Winding项的设置过程如下：此处的 Winding 项是指转子的鼠笼设置，双击工程树中的转子Winding项，出现转子鼠笼设置对话框，其中Bar Conductor Type为转子鼠笼导条材料，与设定铁心材料的方法类似，在RMxprt材料库中选择自带的“cast_alumium_75”。

End Length是鼠笼导条高于转子端面的长度。

在嵌入铜条作为鼠笼绕组时，铜导条一般要高于转子端面，目的是方便焊接导条与端环。

但在铸铝转子中，该项应该为0，因为铸铝端环紧挨着转子端面。

End Ring Width为端环的轴向厚度，此处设定为58mm。

End Ring Height为端环的径向长度，此处设定为26mm。

End Ring Conductor Type为转子端环材料，对于样机该材料与鼠笼导条材料一样，均为铸铝，在材料库中选择“cast_alumium_75”即可。

4)设置Shaft项
双击工程树下的“Shaft”：
就会弹出Shaft设置对话框，在对话框中仅有一项参数，即转轴是否导磁，因转轴导磁，则相当于加大了转子轭厚度，故需要对计算结果进行修正。

而转轴不导体磁，则不需要修正。

本例中样机一般采用的是45号钢，导磁性相对于定、转子冲片材料要弱，故这里不选择转轴导磁。

以上设置完成之后，可单击工程树中的“Machine”项，在软件右侧窗口可显示建立好的完整电机模型图，如下所示:
5)进行仿真参数设置
在工程树中选择Analysis >Add Solution Setup选项
软件会自动弹出求解设置选项, Load Type 电机的负载类型，在这里设定为Const Power，即恒功率负载形式。

Rated Output Power 电机的额定输出功率，本例中电机的额定输出功率为55Kw。

Rated Voltag是额定电压，按照行业规定习惯，额定电压均指电机的线电压，在此输入380V。

Rated Speed 额定转速，4极电机的同步转速为1500rpm，异步电动机转速小于同步速，在此设定为1485rpm。

Operating
Temperature为工作温度，电机为B级绝缘。

为了方便换算，设定工作温度为75摄氏度。

单击求解设置对话框上方的“Three-Phase Induction Motor”，出现电源频率及绕组连接方式设置项，Frequency为电源频率，我国统一采用50Hz，故在此中输入50Hz。

Wingding Connection为定子绕组的连接方式，共有两种。

一种是Delta，即三角形连接方式；另一种是Wye，即星形连接方式。

这里选为Wye。

3、电机在RMxprt中的计算
完成上述操作后，就可以直接求解计算了。

但是在求解之前，可先检查模型是否正确无误，单击软件菜单栏中的图标，就会弹出如下图所示的检测窗口，各检测项前均有一个对号的图标，这说明对应的该步骤设置正确。

检测完毕后，可在工程树中右键单击“Setup”，在下拉选项中选“Analyze”
因为采用的等效电路方法计算电机模型，所以计算周期非常短暂，计算很快便完成了。

（只有在Rmxpt中进行计算后，才能将模型导入到Maxwell 2D模块）
4、将电机模型导入Maxwell 2D
电机完成了在Rmxprt中的计算之后，我们要将电机导入到Maxwell 2D中进行进一步计算。

为了将完整的电机模型导入Maxwell 2D模块，在将电机直接导入之前需事先设置一下：鼠标单击菜单栏中的“RMxprt”，在下拉选项中选中“Design Settings”：
在弹出的对话框中点击“User Defined Data”：
点击“Enable”前的空白方框，便会出现用户自定义区域，将“Fractions 1”键入区域内，点击确定即可。

设置完成之后需将模型重新计算一遍，即右键工程树中的“Setup1”执行analyze。

至此就能将RMxprt中的电机模型一键导入到Maxwell 2D中了。

同样右键工程树中的“Setup”，选中下拉菜单中的“Create Maxwell Design”出现如下图所示对话框，点击OK 即可开始自动导入过程。

导入完成后，在软件的显示界面上出现完整的Maxwell 2D电机模型如下图所示：
软件这样自行生成的Maxwell 2D电机模型，默认求解器为瞬态场求解器（Transient），而且软件自动完成了材料定义、激励源添加、边界条件给定、网格剖分和求解参数设置等前处理项，从新生成的电机模型工程树中便可得到这些信息：
但是软件自动进行的网格剖分太粗糙，会导致计算结果不够精确甚至出现错误。

所以接下来我们要删除自动剖分的网格，重新设置剖分，这里主要是将气隙分离成四层网格。

首先点击工程树中“Mesh Operation”前的加号，展开两项自动生成的网格剖分项，依次右键
选中执行“Delete”将其删除：
软件自动生成的“Band”边界可以作为分离气隙的一条线，接下来还需要在电机气隙中间添加三条线，从而将气隙分离成四层结构。

选中菜单栏中的“Draw”，在下拉菜单栏中选择“Circle”：
然后在最下方右下角的坐标状态栏输入圆心坐标（X,Y,Z）=(0,0,0)，并按回车键确认。

接着输入要画的第一个圆的半径距离（dX，dY，dZ）=(0，129.2，0)，按回车键确认。

这样第一根线在气隙中便成功添加了，如下图所示：
用同样的方法添加第二条线和第三条线，第二个圆的半径距离为（dX，dY，dZ）=（0，129.8，0），第三个圆的半径距离为（dX，dY，dZ）=（0，130，0）。

设置完成后气隙分离情况如下图所示：
在设置剖分之前我们还需将软件在导入过程中自动生成的Region
删除，在Model工程树下找到“InnerRegion”和“OuterRegion”，同时选中右键单击执行Edit>Delete：
再重新设置一个求解域，直接鼠标单击菜单栏中的“Create Region”按钮，即中的第一个图标。

在弹出的对话框中直接根据默认选项点击“OK”即可。

另外删除掉自动生成“Region”时，同时也删掉了软件自动生成的边界条件，我们需要自己设置一个边界条件。

先鼠标右键单击模型显示区域的空白处执行Selection model>Edges：
接着选中电机定子外圆作为边界进行边界条件的设置：
接着在工程树中找到“”，鼠标右键单击后执行
Assign>Vector Potential：
在弹出的矢量边界条件设置框中将边界条件设为零矢量边界如下图所示：
电机“OK”即完成了边界条件的设置。

接下来，在电脑键盘上同时按下“Ctrl”+“A”将电机模型全部选中，再按住键盘上的“Ctrl”，同时鼠标选中Model工程树下的“Region”和“Band”，使得电机气隙部分都取消选中，如下图所示：
然后在电机模型工程树下找到Mesh Operation，鼠标右键单击执行Assign>On Selection>Length Based。

在弹出的对话框中将剖分最大单元格长度设置为0.5mm：
接下来设置气隙剖分的最大单元格长度，按住键盘上的“Ctrl”，鼠标选中Model工程树下的“Region”和“Band”，鼠标右键单击后执行Assign Mesh Operation> On Selection>Length Based。

在弹出的对话框中将气隙剖分的最大单元格长度设置为0.3mm。

接下来先看一下重新设置后的剖分情况，在工程树下找到“Analyze”，右键单击后在下拉菜单中选择Add solution setup，在弹出的对话框中把一般设置中的停止时间设置为0.2s，步长设置为0.0004s。

接着右键单击Setup1，选择Apply Mesh Operations，软件便开始进行剖分。

在电脑键盘上同时按下“Ctrl”+“A”将电机模型全部选中，然后在工程树中找到“Field Overlays”，右键单击后在下拉菜单中选择“Plot Mesh”：
在弹出的对话框中直接点击“Done”
气隙处四层分离后的剖分情况如下图所示：
5、将模型导入Simplorer并建立外电路
搭建外电路之前，我们应该先将软件自动生成的电压源激励修改为外电路激励。

但是注意，再次之前我们需要记下软件自动生成激励条件时各向绕组的电阻参数，电感参数及电源参数，利用这些参数来帮助我们建立外电路。

查看这些参数的方法是：点击工程树中前面的加号，便会展开三相绕组激励和转子导条激励：
双击三相绕组中的一相，在弹出的对话框中便可查看激励条件的各项参数
记录下各项参数之后，将三相绕组激励类型均改为“External”：
鼠标右键选中项目管理器工程树中的“Maxwell2Ddesign1”，在下拉菜单中选中“Design Setting”
在弹出的对话框中选择“Advanced Product Coupling”，把“Enable transient- transient link with Simplorer”前面的小方框勾选上。

至此，完成了电机模型导入Simplorer之前的准备工作。

接下来双击“ANSYS Simplorer”图标：，进入
Simplorer界面，点击主菜单栏Simplorer circuit>SubCircuit>Maxwell Component >Add Transient Cosimulation:
在弹出的对话框中点击右侧有限元源文件路径Source File按钮：
将会弹出Select Coupling File对话框，选择有限元模型所在路径，点击“打开”，“Maxwell Transient- Transient Coupling”对话框自动填写成如下图所示：
点击对话框中的“确定”，在Simplorer界面中点击左键即可成功将有限元电机模型导入到Simplorer中：
接下来在右侧的元件库中找到“Voltage Sources”:
鼠标左键选中上图方框中的电压源，便可将其直接拖入到Simplorer电路编辑模块中。

注意，此时鼠标左键单击一次，便会添加一个电压源元件，这里我们需要三个电压源，鼠标左键在不同地方单击三下便可成功添加三个正弦电压源到电路中：
双击图中的电压源，在弹出的对话框中设置三个电压源的幅值、频率及相位。

本例中电压幅值均为311V，频率为50Hz、三相电压相位各差120度。

具体设置情况如下图所示，从左到右依次为A相，B 相，C相：
然后再在右侧的元件工程树下找到电阻和电感，用同样的方法分别添加三个电阻和电感到电路中，电阻所在位置如下边左图所示，电感所在位置如下边右图所示：
设置电阻参数，在电阻设置对话框中填入电阻阻值：
设置电感参数，在电感设置对话框中填入电感值：
这些完成之后，我们还需要添加一个接地元件到电路中，点击菜单栏中的，即可直接将接地元件拖入到电路中。

至此便完成了Simplorer中电路部分的搭建如下图所示:
最后我们要给电机模型添加机械负载部分：在工程管理栏搜索转矩测量模块“FM_ROTB”,选中后按住左键直接拖放到工程绘图区：
运用同样的方法将角速度测量模块“VM_ROTB”、负载转矩模块“F_ROTB”、转动惯量模块“MASS_ ROTB”拖放到工程绘图区中，并按下图所示连接模型：
这里我们将负载转矩设置为零负载启动，0.6s时突加200Nm的负载：
6、求解设置及结果
双击工程管理器下的“TR”：
在弹出的对话框中将求解时间设置为1.2s，最小步长设置为0.0002s，最大步长设置为0.002s：
注意，Simplorer中的求解设置完成后，同时要将Maxwell 2D模块中的求解设置修改成与Simplorer中尽量一致：
以上设置完成之后即可点击菜单栏中的开始计算。

由于计
算是场路耦合模型的计算，所以耗时会很长。

需要耐心等待，直到计算完成。

计算完成以后，既可在Maxwell 2D模块中查看结果，也可以在Simplorer中查看结果（两者显示的结果并无差别）。

这里以查看Maxwell 2D模块中的结果为例进行说明：鼠标右键项目管理器中的“Result”,执行Create Transient Report>Rectanglar Plot：
在弹出的对话框中选择“Speed”，再点击“New Report”
便会生成异步电机转速随时间变化的曲线图：
由结果图可以看出，异步电机的转速在0.4s附近达到稳定，0.6s 突加负载后转速出现波动，但很快又稳定在1500rmp附近。

在执行Create Transient Report>Rectanglar Plot后的对话框中选择“Torque”：
便会生成异步电机转矩随时间变化的曲线图：
从上图中我们可知，电机空载启动达到稳定后的转矩稳定在0Nm 附近，在0.6突加200Nm的负载转矩后，电机转矩出现波动，之后很快电机转矩便稳定在200Nm附近。

在执行Create Transient Report>Rectanglar Plot后的对话框中，先选中“Cateory”下的“Winding”，在按下“Ctrl”键后，依次选中“FluxLinkage（PhaseA），FluxLinkage（PhaseB），FluxLinkage（PhaseC）”
便可得到异步电机三相磁链随时间变化的曲线图：
运用同样的操作，我们还可得到异步电机三相电流随时间变化的曲线图：
和电机的转矩类似，电机三相电流在空载启动后0.4s左右达到稳定，接着在0.6s突加负载处电流上升，随后电流稳定在比空载稳定时更大值处。

五、小结
本文以异步电机的启动计算为例，在ANSYS19.0环境下，先用RMxprt模块进行电机设计，然后将RMxprt中的电机模型一键导入到了Maxwell 2D模块，在Simplorer中建立电路与Maxwell 2D中的电机模型进行场路耦合联合仿真最后得到了异步电机启动过程中突加负载情况下电机转矩、转速及电流随时间变化的曲线图。

六、写在最后
2019年6月20日随着《ANSYS Maxwell技能培训10讲》的第十讲《Maxwell变压器分析流程与实例》，持续3个月系列课终于画上了圆满了句号，致谢200+位学员的付费订阅，如果大家有任何疑问，仍然可以VIP群内交流。