期末电磁场大作业

一、问题描述

为了完成此次永磁同步电机二维静态磁场仿真分析。应用Ansoft Maxwell 12软件进行了仿真研究。

设置的三相永磁同步电机参数为：定子外径为180mm，定子内径为120mm，气隙长为0.6mm，永磁体厚度为4mm，转子内径为15mm，定子槽数为36，定子级数为4。定子绕组为双层绕组。采用整个电机为求解域。

二、仿真方法

Ansoft Maxwell 12软件，Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，为设计工程师们提供了精确、快速、高效的设计平台。在现代通讯系统、雷达、计算机、天线、高速PCB、集成电路、封装、连接器、光电网络、电机、开关电源、机电系统、汽车传动系统设计和复杂EMI/EMC仿真中，Ansoft领先的基于物理原型的解决方案能够快速精确地仿真和验证设计方案，电磁场、电路和系统全集成化的设计环境能够在系统设计时精确考虑细节的电磁场效应，从而确保系统性能，降低设计风险，推进创新，洞察设计内核，获得长期竞争优势。它主所基于的麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，在保证其计算的准确性和快捷性的前提下，Ansoft Maxwell不仅可以对单个电磁机结构进行数值计算，还可以对整个系统进行联合仿真。作为我国引入较早的一款电磁场有限软件，其使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航天航空、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业，为各领域的科学研究和工程应用做出了巨大的贡献。

Ansoft公司的Maxwell是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件。包括静电场、静磁场、时变电场、时变磁场、涡流场和温度场计算等，可以用来分析点击、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁场装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。

三、具体仿真过程

（一）绘制几何模型

1.设置绘图单位

执行菜单命令Modeler/Units，选择几何模型单位为mm。

2.绘制定子槽和定子槽中的导体

1）定子槽的绘制

绘制曲线，输入第一点坐标（59.6,1,0），第二点坐标（61.25,1,0），第三点坐标（62.75,2.75,0），第四点坐标（79.25,4,0）得曲线图1所示

图1 定子槽折线

执行菜单命令/Edit/Duplicate/mirror，输入坐标（0,0）回车，再输入（0，-1）回车，镜像复制折线，于是生成图2

图2镜像复制折线

绘制槽口线段（59.6,1,0）,（59.6，-1,0）和圆弧段（79.25,4,0）,（82,0,0）,（79.25,-4,0），并选中绘图区所有线段，执行Edit/surface/Cover Lines，形成定子槽面，如图3所示

图3定子槽

2）定子槽中导体的绘制

绘制定子下层导体，坐标为（61.25,1,0），(61.25,-1,0)，(62.75,-2.75,0)，（71.99，-3.45,0），（71.99,3.45,0），（62.75,2.75,0），（61.25,1,0），形成曲线并选中所有线段，执行Edit/surface/Cover Lines，得到定子下层导体，如图4所示

图4定子下层导体图

同理绘制定子上层导体，坐标为（79.25,4,0），（71.99,3.45,0），（79.25,4,0），（79.25,4,0），（82,0,0），（79.25，-4,0）得到定子上层导体，如图5所示

图5 定子上层导体图

3.绘制定子铁芯

绘制定子外圆和定子内圆，坐标为（0,0），（90,0），（60,0），形成圆环，并在圆环之间形成面域，形成定子圆环，如图6所示

图6 定子圆环

在定子圆环中复制出36个定子槽，通过指令并形成定子铁芯，如图7所示，

图7 定子铁芯

4.绘制转子铁芯

绘制转子外圆，圆心坐标（0,0），半径55.4mm。转子内圆半径为15mm。并通过Subtract，用转子外圆减去转子内圆，得到转子圆环，形成转子铁芯，如图8所示

图8 转子铁芯

5.绘制永久磁体

绘制永久磁体外圆，圆心坐标（0,0），半径59.4mm，采用屏幕捕捉线段端点来绘制永久磁体，并设置永久磁体极性，如图9所示

图9 永久磁体

6.绘制运动边界

1）绘制定子求解区域，输入坐标（0,0），输入坐标（dx，dy）=（90,0），画出定子气隙外圆，段数设置为36，选择Cover Lines，输入坐标（0,0），输入坐标（dx，dy）=（59.7,0），画出定子气隙内圆，选择Cover Lines，并用定子外圆减去内圆得到定子求解区域，如图10所示，

图10 定子求解区域

2）绘制转子运动区域，圆心输入坐标（0,0），输入坐标（dx，dy）=（59.7,0），画出定子气隙外圆，选择Cover Lines，输入坐标（0,0），输入坐标（dx，dy）=（15,0），画出定子气隙内圆，段数设置为36，选择Cover Lines，并用定子外圆减去内圆得到定子求解区域，如图11所示，

图11 转子运动区域

至此，永磁同步电机的几何模型建立完毕，如图12所示

图12 永磁同步电机模型

（二）设置各部件的材料属性

同步电机部件材料同步电机部件材料

定子铁芯DW465_50 永磁体NdFe30

转子铁芯DW465_50 定子求解区域空气

定子导体铜转子运动区域空气

1．设置定子导体材料属性

在属性栏中选中所有定子导体，右击后选择Assign Material中的copper。

2．设置定子铁芯和转子铁芯材料属性，从RMxprt中导入材料。如图13所在材料属性对话框中（如图14所示），选中DW465_50，设置材料的相关参数，如图15所示，也可以导入B-H曲线数据，如图16所示

图13 “导入材料设置”对话框图14 “材料设置”对话框图15 “材料属性”对话框图16 B-H曲线