基于ANSYS的永磁同步电机温度场分析专题资料集锦(一)

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基于ANSYS二次开发的永磁同步发电机电磁场分析

研究与开发基于A N SY S二次开发的永磁同步发电机电磁场分析王丽华(南昌大学，南昌330031)摘要本文应用A N SY S提供的A PD L语言编程，设计可视化界面，通过主程序调用模块化子程序，利用do循环语句实现电机自动旋转．剖分、加载荷及求解等过程，方便快捷，同时对电磁场计算结果进行后处理，得出永磁同步发动机的绕组磁链、端电压大小及波形．分析结果有助于对电机进行性能分析及优化设计。

关键词：A PD L；永磁同步发电机；齿磁通；绕组电压T he El ect r om agnet i c Fi el d A nal ysi s of Pe r m a nent M agnet Synchr onousG ener at or B ased on A N SY S Secondar y D evel opm e ntW ang Li h ua(N anchang U ni v er s i t y，N anch ang330031)A bs t r act Th i s pap er com pi l es pr ogr am s by t he A P D L l ang uage of A N SY S s of t w a r e，de si gnsvi si bl e i nt er f ac e，cal l bl ocked s ubpr o gr am by m ai n pr og r am and r e al i z e t he w hol e process of t he el e ct r i c al m a c hi ne’S a ut o—r ot at e，a ut o-m es h，a ut o-l oad and SO on，w hi ch iS con veni ent and ef f i c i ent．A t t he s am e t i m e，t he val ue and w a ve f or m of w i ndi ng m agnet i c f l u x l i nka ge and vol t a ge ar e obt ai ned by dea l i ng w i t h t he ca l c ul at i on r esu l t of t he el ect rom ag net i c f i el d．T he r e sul t s of s i m ul at i on is he l pful t o anal yze and des i gn per m a nent m ag net el e ct r i c al m a chi ne．K ey w or ds：A P D L『；P M Synchr onous G enerat or．t o ot h m agn et f l ux：w i ndi ng vol t a ge1引言对于一个简单模型来说，采用G U I(人机交互)操作方式可以很便捷地完成分析。

基于Ansys的永磁同步电机温度场分析

近些年来，由于永磁同步电机在工农业的生产生活中应用越来越广泛，关于永磁同步电机的各类问题也越来越引起人们的重视．由于电机的应用逐渐广泛，电机的负载逐渐增大，电机运行时的损耗也逐渐增加，导致电机内部温升也同时增大．而过高的温升容易使得电机部件出现过早老化的现象，所以电机内部温升是电机设计中必须考虑的参数．因此，电机的发热问题也引起了人们的重视．但是由于电机内部结构复杂、磁场分布不均匀等因素，使得人们对于电机内部温度场分布的认识大多停留于公式计算出的电机温升得平均值，而没有具体到电机的温度分布规律．但利用Ａｎｓｙｓ有限元分析软件，可以模拟出电机内部温度场的分布情况，从而解决这一问题．本文通过Ａｎｓｙｓ软件中的热分析模块，对实际电机温度场进行二维分析，得出温度分布云图，模拟电机在运行过程中温度场分布隋况．
摘要：利用Ａｎｓｙｓ￣－ｆ限元分析软件对永磁同步电机的平面二维模型进行温度场分析，将分析得到的结果与理
论计算结果进行比较，寻找出一种有效的计算电机温度场的方法．
关键词：永磁同步电机；Ａｎｓｙｓ软件；瞬态热分析；温度场
中图分类号：ＴＭ３４１
文献标识码：Ａ
文章编号：２０９５—２４８１（２０１３）０２．０１３８．０３
第２５卷第２期２０１３年５月
宁德师范学院学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｉｎｇｄｅＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｖｏｌ＿２５Ｎｏ．２Ｍａｙ２０１３
基于Ａｎｓｙｓ的永磁同步电机温度场分析

基于ANSYS的电主轴温度场仿真及分析

［ 1］ FANUC 公司． FANUC 0i － MC 参数手册［ Z］． 2006．［ 3］MARPOSS 公司． MARPOSS 综合样本［ Z］． 2006．
1975 年生，第一作者: 宋长双，男，工学学士，工程师，主要研究方向为数控机床电气控制及数控系统应用。 ( 编辑余捷)
－7
( 2)
( 8) ( 9)
2 /3
式中: C 为摩擦系数( 常根据经验来确定) ; ρ 为空气密 kg / m3 ; ω 为角速度， rad / s; R 为旋转体的外径， m; L 度， m。为旋转体的长度， 1． 1． 2 电损耗电损耗主要是定子与转子的电损高速电主轴中，耗，可用下式计算: P e = I2 R = I2 ρL / S ( 3) W; I 为电流， A; ρ 为导体的电阻率，式中: P e 为电损耗， m; S 为导体的截面积， m2 。 Ω·m; L 为导体的长度， 1． 1． 3 磁损耗循环磁化时单位质量的损耗可用经验公式表示为 P t = CfB2 ( 4) max W; C 为与电工钢牌号有关式中: P t 为磁滞损耗功率， Hz; B max 为磁感应最大值， T。的常数; f 为磁化频率，转子铁芯的损耗由转差率来确定，由于它的值很小，可以忽略不计。涡流损耗按下式计算: π δ ( fB ) 2 ( 5) 6 ργ c m; f 为磁化式中: P 为涡流损耗功率; δ 为硅钢片厚度， P = Hz; B 为磁感应最大值， T; γ c 为铁芯的密度， kg / 频率， m3 ; ρ 为铁芯的电阻率， Ω·m。 1． 2 电动机生热率的计算生热率 q 是指热源单位体积的发热量，可用下式 Q V

Ansys有限元分析温度场模拟指导书

实验名称：温度场有限元分析一、实验目的1. 掌握Ansys分析温度场方法2. 掌握温度场几何模型二、问题描述井式炉炉壁材料由三层组成，最外一层为膨胀珍珠岩，中间为硅藻土砖构成，最里层为轻质耐火黏土砖，井式炉可简化为圆筒，筒内为高温炉气，筒外为室温空气，求内外壁温度及温度分布。

井式炉炉壁体材料的各项参数见表1。

表1 井式炉炉壁材料的各项参数三、分析过程1. 启动ANSYS，定义标题。

单击Utility Menu→File→Change Title菜单，定义分析标题为“Steady-state thermal analysis of submarine”2.定义单位制。

在命令流窗口中输入“/UNITS, SI”，并按Enter 键3. 定义二维热单元。

单击Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete 菜单，选择Quad 4node 55定义二维热单元PLANE554.定义材料参数。

单击Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models菜单5. 在右侧列表框中依次单击Thermal→Conductivity→Isotropic，在KXX文本框中输入膨胀珍珠岩的导热系数0.04，单击OK。

6. 重复步骤4和5分别定义硅藻土砖和轻质耐火黏土砖的导热系数为0.159和0.08，点击Material新建Material Model菜单。

7.建立模型。

单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→By Dimensions菜单。

在RAD1文本框中输入0.86，在RAD2文本框中输入0.86-0.065，在THERA1文本框中输入-3，在THERA2文本框中输入3，单击APPL Y按钮。

8.重复第7步，输入RAD1=0.86-0.065，RAD2=0.86-0.245，单击APPL Y；输入RAD1=0.86-0.245，RAD2=0.86-0.36，单击OK。

ANSYS磁场分析

• 选择 OK
2.1-32
以毫米单位生成的模型，最好把模型尺寸变换为国际单位制（变换系数 =.001) 使整个模型激活 Utility>Select>Everything 缩放平面-不用拷贝 Preproc>operate>scale>areas
• 选择 OK
2.1-24
• •
给线圈平面施加电流密度选择线圈平面 Utility>Select>Entity
• 一旦衔铁已选好，选择OK (在选取框内）
2.1-20
•
选择与已选平面相对应的单元
用“面”
衔铁单元
• 选择 OK • 图示衔铁单元 Utility>plot>elements
2.1-21
•
使单元与衔铁组件联系起来 Utility>Select>Comp/Assembly>Create Component
•
打开绘制单元的材料属性 Utility>PlotCtrls>Numbering
• 选择 OK
2.1-19
• •
力边界条件标志需要单元部件，即一组具有 “名称”的单元把衔铁定义为一个单元组件 – 选择衔铁平面 Utility>select>entities
用此选项在图形窗口中选择平面
再次选择用APPLY
• 选择 OK
2.1-15
• •
这些平面要求与物理区和材料联系起来 Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Areas 选取线圈平面（在选择对话框里）点取OK 材料号窗口输入3
• 点 OK
2.1-16

基于ANSYS的新型结构永磁直线同步电机力性能研究

第２９卷第２期
２２年２月０１
机
电
工
程
Ｖｏ．２ｏ２１９Ｎ．Ｆｂ０２ｅ．２１
ＪｕｎｌｏｃａｉａｏｒａｆＭｅｈｎｃｌ＆ＥｌｃｒａｎｉｅｒｎｅｔｃｌＥｇｎｅｇｉｉ
基于ＡＳＳ的新型结构ＮＹ永磁直线同步电机力性能研究
ｔｅｃａａｔｒｔｓｏｈｅａｅｔｍａｎｔｉｅｒｓｎｈｏｏｓｍｏｏ（ＭＬＭ）ｓｒｃｕｅａｎｗｓｒｃｕｅｏｔｒｍｏｅｓｂｉｏｈｈｒｃｅｓｉｆｔｅｐｒｎｎｇｅｉｌａｙｃｒｎｕｔｒＰＳｉｃｍｃｎｔｕｔｒ．ｅｔｔｒｆｍｏｏｖｒｗａｕｌｔｕｔ
式中：
置。
动子的长度，一整数，七
距，～动子位
端边力的展开Ｆｕｉ为．ｏｒｒ５ｅ：
（＋（ｉ）ｎ
ｎ１＝丁
ｎｎｔｃ —ａ。２）
—
的两个峰值，峰值相距３ｍ，６ｍ即极距．也就是动子端ｒ，部在每次进出磁极对应的磁场空间时，都会产生非常大幅度的推力波动，可见在普通结构上，这种推力波动
１线圈；一永磁体；～凸铁；＿动子叠片一２３４
ｊｅ
ｎ＝ｌ
ｕ七２ｅｌ；ｕ谨ｌ１ｌ
ｓｉｎ
下
电机永磁体采用高性能钕铁硼材料，磁化方向为
法向，感应矫顽磁力为Ｈ＝９Ａｍ；其８５ｋ／电机为１槽单８

基于ANSYS新型电机设计工具包的永磁同步电机效率仿真

电机设计关注的共同点
70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00
优化转矩脉动
XY Plot 2
Design_BH_right_1_Current_Gamma_Sweep1
Curve Info Moving1.Torque Setup1 : Transient
仿真计算IPM永磁电机之效率和损耗图
--电机设计工具包高级应用
提纲：
电机设计流程
工具包计算方法介绍案例：Magna IPM电机效率Map图案例：优化IPM电机磁钢设计总结
电机设计流程
电机设计流程
工具包计算方法介绍案例：Magna IPM电机效率Map图案例：优化IPM电机磁钢设计总结
Lq略微增大
DSO选项提升求解速度
• Simulations run on Distributed Solve Option (DSO):
Ford--IPM电机仿真时间提速结果
• Excluding the processing times:
100 80
Speed-up factor
60 40 20 0 0
减少磁钢用量优化
目标--减小20%磁钢：
减小“V-angle”角度；
减小磁钢厚度；
减少磁钢用量优化
The percentage difference of efficiency between the original and modified designs.
减少磁钢用量优化
有限元分析结果： Ld减小
优化设计
用户自定义输出(UDOs)
电机设计工具包

基于ANSYS的永磁同步电机的设计与仿真

侯鹏 1>2 ，周国鹏 2 ，万仁卓 1 ，周芳 2 ，周智 2
( 1 . 武汉纺织大学电子与电气工程学院，湖北武汉 430200; 2 . 湖北科技学院工程技术研究院，湖北咸宁 437100)
摘要：为了简化研发永磁电动机的设计周期，本文提出了一种基于 Ansys Maxwell软件 RMxprt电
态运行有限元计算与分析，验证了电磁设计的合理性，同时比较了基于磁路法 RMxprt的计算和
Maxwell2D有限元分析相结合的电机设计过程 Q结果表明，有限元分析法的精度优于磁路法，该分
元法对单相永磁同步电机进行了仿真研究。在国外，LiP〇等在文献[5]中应用场路耦合有限元法仿真了永磁同步电机的稳态运行性能，Gieras等在文
献 [6]中用有限元法计算了同步电动机的参数和性能，文中参数仿真能真实地反映负载时磁场的饱和程度。总之，国内外学者对各种电机电磁场性能仿真分析取得了一些成果，很明显利用有限元法分析电机磁场更精确，但利用有限元法分析各种电机模型还有待完善。
本文将采用有限元法对永磁同步电机（PMSM) 内部电磁场进行数值计算与仿真分析。首先基于 RMxprt模块建立永磁电机的数学模型，然后将 RMxprt模块生成的几何模型导入 Maxwell2D 模块，利用 Maxwell2D 模块对电机进行有限元仿真与分析，验证电机设计的合理性，并为进一步优化打下基础。

基于ANSYS的磁保持电磁继电器温度场分析

基于ANSYS的磁保持电磁继电器温度场分析朱艺青【摘要】本文通过ANSYS workbench软件对继电器的温度场进行仿真分析,研究了继电器各种工作状态下的发热,确保继电器的温升满足设计要求;通过产品温升测试结果验证了仿真结果.【期刊名称】《机电元件》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】6页(P47-52)【关键词】磁保持电磁继电器;温度场;ANSYS【作者】朱艺青【作者单位】厦门宏发电声股份有限公司,福建厦门,361021【正文语种】中文【中图分类】TN784继电器工作时，必须给输入端通电(线圈通电)，输出端才能接通负载(簧片和触点载流)。

由于电流流经载体会产生能量损耗，继电器的接触系统和磁路系统均会发热。

继电器如果长期工作在超过限制的高温下，继电器所使用的材料会发生老化、绝缘性能下降等，可能导致继电器发生失效等不良现象。

为了保证继电器能够可靠的工作，必须研究继电器发热的热能造成的温升情况，保证继电器的温升不会超过规定的上限。

由于继电器各部分的发热和散热是一个非常复杂的过程，有很多的影响因素，并且继电器内部结构较为复杂，很难通过数值计算法来进行准确的计算，只能根据一些经验数据进行近似计算。

继电器内部的发热源主要有线圈电流流过漆包线的能量损耗和负载电流流过接触系统的能量损耗。

线圈部分一般都是直流电压供电，因此线圈的发热可以直接采用焦耳定律来计算，如式1所示。

接触系统的发热计算时，除了计算簧片和触点的体电阻外，触点间的接触电阻产生的热量更大。

另外，负载电流一般为交流电，流经簧片和触点时会因集肤效应和邻近效应产生附加损耗，需要在焦耳损耗上乘与附加损耗系数。

由于簧片的形状并不是规则的，所以需要采用一些经验数据来确定附加损耗系数。

继电器产生的热能除了加热继电器外，还有一部分主要通过热传导、热对流和热辐射的途径散失到周围介质中。

热传导是指继电器各个零部件之间的热传递过程。

热对流是继电器内部存在的气体，由于继电器内部的温度差，产生气体的自然对流和热传导现象。

基于ANSYS的直驱永磁发电机电磁场仿真_段晓田

第37卷　第12期2009年12月Vol.37　No.12 Dec.　2009基于ANS Y S的直驱永磁发电机电磁场仿真段晓田,张新燕,张　俊(新疆大学电气工程学院,乌鲁木齐　830008)摘　要:应用有限元软件ANSYS对永磁直驱风力发电机静态电磁场进行了仿真。

首先用常规方法对永磁直驱风力发电机空载电磁场进行了计算;其次提出了永磁直驱风力发电机电磁场有限元分析方法,应用有限元软件ANSYS对发电机的静态电磁场进行了仿真计算;最后将利用ANSYS软件仿真结果和实际情况进行比较。

从结果看出,采用有限元方法仿真的结果和同实际情况基本相符,此仿真的结果对以后风力发电机的研究具有一定的参考价值。

关键词:直驱永磁发电机;ANSYS;静态电磁场基金项目:国家自然科研基金项目(50767003,50867004);自治区高校科研计划项目(XJE DU2007I05)作者简介:段晓田(19842),女,硕士研究生,研究方向为电气系统优化设计。

中图分类号:T M313;TP31 文献标志码:A 文章编号:100129529(2009)1221997204ANS Y S2ba sed electromagneti c f i eld si m ul a ti on for d i rect2dr i ven per manen t2magnet genera torsDUAN X iao2tian,ZHAN G X in2yan,ZHAN G Jun(School of Electrical Engineering,Xinjiang Univ.,U ru mqi830008,China)Abstract:I n this paper,the s oft w are ANSYS was used f or si m ulati on of the static electr omagnetic fields f or the direct2 drive per manent2magnet generat or.First,the electr omagnetic fields of the direct2drive per manent2magnet wind power generat or were calculated with traditi onal calculati on method.Second,the finite ele ment method for the electr o mag2 netic field was p r oposed,and the s oft w are ANSYS was used f or si m ulative calculati on of the static electr omagnetic fields.The si m ulati on result by using ANSYS was p r oved in comp liance with the p ractical situati on.Key words:direct2drive per manent2magnet generat or;ANSYS;static electr omagnetic field[8]黄科元,贺益康.矩阵式变换器励磁的双馈风力发电机系统[J].太阳能学报,2002,23(6).[9]张晓波,张新燕,王维庆.用神经网络对风力发电中电力电子故障分析[J].华东电力,2008,36(7).[10]张晓波,张新燕,王维庆.用小波分析来判定风力发电中电力电子的故障[J].电机技术,2008,05.收稿日期:2009209214本文编辑:邵振华我国有丰富的风能资源,风电的发展可以大大改进国家的能源结构,减少废气排放,保护环境[1]。

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软件的永磁电机温度场仿真分析

基于ANSYS软件的永磁电机温度场仿真分析颜文悦【摘要】应用有限元分析软件ANSYS来模拟仿真永磁电机在工作过程中达到稳态时的各个部件温度分布情况.结合对仿真云图的分析,提出简化计算的方法并加以利用,为优化永磁电机的设计、改善温度分布、提高性能、延长使用寿命等提供参考.【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(030)004【总页数】4页(P393-396)【关键词】永磁电机;温度分布;ANSYS有限元分析【作者】颜文悦【作者单位】宁德师范学院数理学院,福建宁德352100【正文语种】中文【中图分类】TM351近年来，随着工业科技的飞速发展，永磁电机大量的应用到人们的生产生活中.由于电机制造工艺及技术的进步、工业生产规模的扩大对电机功率要求提升，同时对电机的工作负载的要求也越来越大.与此同时，原本在电机运行过程中并不突显的电机发热问题也越来越引起了人们的重视.如何在不降低电机功率的同时能行之有效地控制电机的温度上升，从而防止电机由于发热较快、散热较慢而导致配件加速老化、电机使用寿命降低的问题，成为研究人员关注的焦点[1].本文利用ANSYS有限元分析软件，采用有限元分析方法，对永磁电机运行过程中达到稳态时的温度分布情况进行仿真计算.从而找出永磁电机工作达到稳定状态时的温度分布规律，为优化电机温度控制设计、提升其性能等方面提供参考[2].1 有限元分析法有限元法是目前国内外在工程上多种数值模拟计算方法的流行方法，其主要特点是可以较好地应用于一些形状相对比较复杂的组合物体的计算上，并且可以根据不同部位的不同需求进行粗算和精算的选择.在尺寸较大且对计算精度要求不高的部位可以采用粗算的方法，而在尺寸精细或是对计算精度要求较高的部位采用精算的方法.这样既可以满足计算的效率，又基本不影响计算的结果.因此，目前该方法已被广泛地应用在工程计算方面[3].文中在有限元计算方面采用了ANSYS软件进行仿真分析，对永磁电机的温度场进行计算模拟仿真，进而分析温度的变化情况，找出高温发热部分，有针对性地对电机的温度进行优化设计[4].2 永磁电机的边界条件分析利用有限元分析法进行解算永磁电机的温度场，必须对电机的各个部分施加正确的边界条件，对边界条件的讨论如下：1）各部件温度边界条件的计算公式[5]：式中：Tc为边界面S1上的加载温度；f（x，y，z，t）为已知温度关于空间坐标的函数；S1为电机的边界.2）电机运行时产生的热载荷边界条件[6]：式中：热量q0为面S2上的边界热载荷输入；g（x，y，z，t）为已知热载荷关于空间坐标的函数；λ为垂直电机分界面的导热系数.3）电机内部各部件之间的热交换边界条件[6]：式中：α为面S3的换热系数（进行热交换的系数）；T0为周围介质的固定温度；二者一般可以视为常数.本文对XYT132S型5.5 kW四磁极的永磁电机进行分析研究，可通过上述公式计算出边界条件为：电机气隙边界的换热情况：电机定子与样机外壳表面的换热情况：通过计算，可以得到电机各处的生热率为：1）绕组处生热率（铜耗）：QCus=1.21×104W m3，2）定子处生热率（铁耗）：QFeY=4.27×105W m3.3 有限元计算的过程及仿真结果利用有限元分析的方法对永磁电机进行分析，分析过程如图1所示[7].1）建模.选用温度场的稳态热分析模块进行建模，进入前处理功能.2）利用ANSYS软件建立电机的三维几何模型，如图2所示.3）输入材料属性参数.在建立的电机模型下，对模型的各个部分按其材料属性的不同，逐个进行各个模型部件的热传导率设定，在设定完成之后同时更新工作模块. 4）网格剖分.根据电机模型的尺寸对其进行网格的划分.为了兼顾最终温度计算的精度和解算过程中的运算量，可在温度变化较明显的的定子位置和绕组位置进行网格细分；而在离发热部位较远且温度变化相对缓慢的转子部分进行精度略低于定子和绕组位置的划分，从而减少网格数目和节点数目[8].网格剖分结果如图3所示.图1 有限元分析过程图图2 永磁电机模型图图3 永磁电机网格剖分图5）加载边界条件和初始条件.首先必须对永磁电机模型进行自由度的约束，也就是温度的自由度约束；然后定义整台电机工作初始时的环境温度值（本文模拟的环境温度为22℃）；最后对发热部件添加热载荷（即生热率），此时排除次要因素，以电机的铜耗和铁耗作为电机的主要发热原因.6）求解（后处理）.通过后处理器对电机模型的温度进行解算，得出仿真云图如图4所示，以及电机几个重要部位的温度云图[9]，如图5～7所示.图4 永磁电机温度云图图5 永磁电机绕组温度云图图6 永磁电机转子温度云图图7 永磁电机定子温度云图从图4的仿真云图可以看出，永磁电机发热较高的部分出现在云图上最亮的部件，也就图5所示的绕组部件，通过理论分析也可得出此处为永磁电机铜耗产生的部分，故而温度处于整台电机的最高.而定子处由于占有大量的铁耗，因此温度也是相对高的.永磁电机内部的转子部分虽然本身几乎没有发热因素（忽略掉转动摩擦产生的热量），但是因为绕组和定子的热传递以及自身的散热问题等因素，仍然具有略低于绕组和定子的温度分布.且通过图4～7的几个温度云图的分析可以发现，永磁电机的温度场分布情况基本符合对称分布.4 结论从仿真温度分布云图的结果来看，永磁电机的温度分布以绕组处最高，定子处次之，而转子和转轴处的温度较低.若要对永磁电机进行温度的优化控制，首先需要从绕组方面入手，在不影响电机功率输出的前提下，即不降低运行电流的情况下，选用生热率低的材料替代原有的材料，降低电机在运行过程中产生的铜耗；其次可以从气隙和定子入手，在不影响电机运转所需要的磁场强度情况，寻求气隙磁通密度脉动较小的情况来降低两个部分的铁耗.通过以上析可以得出，此两个部分的温度优化能有效在电机运行过程中控制电机的温度，从而提高电机的使用寿命.参考文献：【相关文献】[1]高彦骋,刘卫国.基于Ansys的11 kW无刷直流电动机温度场分析 [J].微电机,2008,41（9）：13-15.[2]李伟力,松开,付敏,等.用三维有限元法计算大中型异步电动机定子三维温度场[J].黑龙江大学自然科学学报,1999,24（2）：33-36.[3]张朝晖,范群波,贵大勇,等.ANSYS 8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版社,2005：12-13.[4]魏永田,孟大伟.电机内热交换 [M].北京：机械工业出版社,1998：253-259.[5]杨菲.永磁电机温升计算及冷却系统设计 [D].沈阳：沈阳工业大学,2007.[6]张明慧,刘卫国.无刷直流电动机瞬态电磁-温度耦合场分析 [J].微特电机,2010,38（8）：22-24.[7]唐兴伦,范群波.ANSYS工程应用教程 [M].北京：中国铁道出版社,2003：187-193.[8]王旭红,汪建平.永磁同步电机的研制及优化 [J].湘潭大学自然科学学报,2002,24（3）：96-99.[9]王磊,苏畅.永磁电机温度场分析基础 [J].牡丹江师范学院学报(自然科学版),2014,87（2）：18-20.。

基于ANSYS的开关磁阻电机温度场分析

(1) 铁芯损耗: 包括涡流损耗和磁滞损耗; (2) 绕组损耗: 主要是铜耗; (3) 机械损耗: 转轴摩擦损耗及通风损耗等。
— 13 —
微电机 2005 年第 38 卷第 5 期 (总第 146 期)
这些损耗的计算可以过文献[ 1 ]的方法来获得。
获得了这些损耗后, 将它们转换成单位体积生热率,
4 小结
运用 AN SYS 软件对电机温度场进行分析, 可以全面了解电机内部各点的具体温度情况。针对本文所用的电机, 从定、转子温度场的仿真分析结果可以看出, 电机模型各部分的温度分布趋势跟预先估计的情况基本一致。说明所建立的模型及分析的方法基本是正确可行的。对于其他类型的电机可以用同样的分析方法来处理, 这对于指导全面认识电机内部的温升情况有一定的指导意义。
图 1 定子剖分图
图 3 定子温度场分布
图 2 转子剖分图
(3) 施加载荷, 主要包括发热热源强度的施加、边界温度条件、冷却介质气流散热系数。对于定、转子不同的通风通道, 其散热系数根据上面分析得到。
(4) 求解运算。
3 仿真结果及分析
通过AN SYS 软件分析得到, 电机定、转子的温度场分布, 如图 3 和图 4 所示。
2 电机温度场的计算
运用 AN SYS 软件对电机进行温度场分析, 可以抛开繁琐变分问题或者是有限元求解公式, 只需准确计算电机的发热损耗即热源强度、线圈绕组的等效导热系数、冷却介质与电机接触边界的散热系数, 即可在 AN SYS 中进行分析求解。
2. 1 发热热源的求取
电机内的发热热源主要是来自电机运行中产生的损耗:
情况、流速、密度、比热、粘度和导热系数有关, 为此
引进对流传热学中的三个相似准则[ 3 ]:

基于ANSYS的永磁同步电机温度场分析专题资料集锦(三)

permanent magnet (IPM) machine. An efficient quasi-3D lumped
parameter thermal model is described and then applied to a practical IPM machine. The analytical model is validated by
machine.
2.Thermal analysis of multibarrier interior PM synchronous Machine
using lumped parameter model This paper presents a lumped-parameter thermal model for a multibarrier interior PM synchronous machine. The model consists of a network of 12 thermal resistances that make it possible to estimate temperatures at 9 critical points inside the machine including the stator end windings, rotor magnets, and the bearings. The details of the model are presented and two machines are analyzed, including a 6 kW 12-pole automotive starter/alternator and a 0.5 kW 4-pole electric water pump machine. The lumped-parameter model results for both machines demonstrate good agreement with results obtained

(整理)ANSYS在永磁电机设计中的应用.

ANSYS在永磁电机设计中的应用近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，稀土永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。

永磁电机采用永磁体励磁，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，一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。

应用有限元法进行数值分析，需对有限元法熟炼掌握，编制计算程序，工作繁锁且精度不高，后处理能力有限。

ANSYS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，该软件融结构、热、电磁、流体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具有极为强大的前、后处理功能。

在使用上，使用者只需输入所要计算的问题，便可获得结果，并可对结果进行进一步的开发使用，而不需要了解求解的详细过程，更不需要掌握有关技巧和编制任何程序，极大地方便了使用，节省了时间和精力。

具体到电机设计上，无论任何结构、任何形式的永磁电机，只要将其模型输入ANSYS就可进行求解，通过后处理得到磁密分布、磁场分布、磁场强度分布、电磁力分布及转矩分布的彩色云图和单元列表，非常直观明了并且计算精度很高。

本文通过对某海上设备用高速永磁同步发电机的设计，较为详细地说明了用ANSYS进行电机内电磁场分析的具体过程，并给出了样机测试结果。

2 永磁同步发电机的性能指标和基本结构该稀土永磁发电机经变流设备带动一组脉冲负载，要求电机输出两组三组电压±33V（相电压），功率为2kW，电压变化率为±2%，电机转速为24000r／min，体积和重量要求极为严格。

电机采用R2Co17（钐钴2：17）永磁体，转子采用6对极瓦片式结构，外加不锈钢紧固套，定子采用36槽结构，定子绕组输出频率为2000Hz。

3 用ANSYS进行电机电磁场分析本文采用ANSYS5．6版本的Multiphysics模块进行电机电磁场分析，可分为三个阶段：前处理、运行计算和后处理。

基于ANSYS的永磁驱动电机热建模与仿真

基于ANSYS的永磁驱动电机热建模与仿真马长军;高剑;刘波;张文娟;盖江涛【摘要】永磁同步电动机以其高效、高功率密度等优点在车辆电驱动领域具有极大的优势.高功率密度意味着电机具有高电磁负荷和高温升的特性,加之车辆散热条件恶劣,因此电机的热分析与计算是电机设计的关键.本文以某特种车辆驱动用350 kW永磁电机为例,对该电机进行热建模与仿真分析,模拟出电机正常运行时内部温度场的分布情况,得出电机温度分布云图等,为电机的设计提供可靠依据.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)010【总页数】5页(P9-13)【关键词】永磁同步电机;热模型;仿真【作者】马长军;高剑;刘波;张文娟;盖江涛【作者单位】中国北方车辆研究所,北京100062;湖南大学,湖南长沙410082;湖南大学,湖南长沙410082;长沙学院,湖南410002;中国北方车辆研究所,北京100062【正文语种】中文【中图分类】TP311近年来电力驱动技术在车辆传动领域得到广泛的应用，驱动电机作为电传动系统的核心部件，要求具有效率高、调速范围宽、过载能力强、结构紧凑等特点，永磁同步电动机以其高效、高功率密度等优点在车辆电驱动领域具有极大的优势。

为了达到车辆电传动功率密度的要求，驱动电机的电磁负荷往往设计的很高，而且电机运行环境温度较高、通风散热效果差、冷却介质温度高，因此准确的电机热分析与计算是高功率密度电驱动永磁电机方案设计的关键[1-2]。

传统的基于等效热阻的电机温升计算方法虽然过程简单、效率高，但难以满足电磁场、流体场和温度场高度耦合的永磁驱动电机的温升准确计算的要求。

本文以350 kW永磁驱动电机为对象，利用ANSYS软件进行电机损耗分析、三维热建模与温升的仿真，为高功率密度电机温升分析与计算奠定基础。

1.1电磁设计根据性能及尺寸要求，永磁驱动电机的主要性能和电磁设计数据如表1和表2所示。

1.2损耗分析与计算1.2.1损耗计算原理电机发热的根本原因是电机的各种损耗，它们构成了电机温度场计算的热源，电机的损耗主要可以分为：铁耗、铜耗、永磁体涡流损耗和机械损耗[3-4]。

基于ANSYS的电励磁同步电机温度场分析

（ｃｏｌｆＩｏｍｔｎａｄＥｅｔｃｌｎｉｅｉＳｈｏｏｎｒａｉｎｌｒａｇｎｒｇ，ＣｉａＵｉｒｔｏｎｎｎｅｈｏｏｙｆｏｃｉＥｅｎｈｎｎｖｓｙｆＭｉｉｇａｄＴｃｎｌ，ｅｉｇ
Ｘｚｏ２０８ｈｎ）ｕｈｕ２１０，Ｃｉａ
０引言
煤矿提升系统是煤矿生产中十分关键的一个环节，电动机本身的安全决定了提升系统的可靠运行，对电动机的状态监测十分重要。电机运行时内部产生的损耗绝大部分要转换成热能，引起电机各部分温度升高。近年来，电机单机容量不断增大，电机运行时产生的单位体积损耗也在增长，引起电机发热严重，直接影响电机使用寿命和运行可靠性Ｌ］１。
因此，对电动机的温度监测显得格外重要。目前，
提出一种无机械传感器的电动机温度检测方法。利用Ａｓｓ限元软件的热分析功能对电机的温度场ｎｙ有
求解得到整个电机内部各点的具体温度，通过分析得到同步电机绕组温度与损耗的关系。研究结果对
ｂｎｆｔｆｒｔｍｐｒｔｒｅｅｔｏｆｍｏｏｓｅｅｉｏｅｅａｕｅｄｔｃｉｎｏｔｒ．
Ｋｅｒｓｙｗｏｄ：ＡＮＳＹＳ；Ｆｎｔｌｍｅｔｍｅｈｄｙｃｒｎｕｔｒｅｅａｕｅｉｉｅｅｎｔｏ；ＳｎｈｏｏｓＭｏｏ；Ｔｍｐｒｔｒｅ

基于ANSYS的同步电机设计

·50·
能源研究与管理 2010( 4 )
研究与探讨
基于 ANSYS 的同步电机设计
王爱凤，刘建国，王振
（南昌大学信息工程学院南昌 330031）
摘要：分别采用磁路法和磁场法设计同步电机，探讨了同步电机的一般设计方法，并指出了设计要点。
关键词：ANSYS；同步电机；电磁场；设计方法
中图分类号：TM341；P738
学院学报（社会科学版） ,2005,20(3):103- 105.
（上接第 51 页）
理。计算实践表明，采用半周期性边界条件时的计
算时间大大缩短，有限元软件对系统资源的要求也降低，因此，除了结构不对称的模型，都应该尽量采用半周期性边界条件，以提高计算效率。 3.3 载荷施加
在同步电机的转子绕组通入直流励磁电流，则产生励磁磁场，转子旋转时，励磁磁场在电枢绕组中感应出对称三相电势；根据安培环路定律，空载时的磁场仅取决于励磁电流的大小；负载时的磁场则同时受励磁电流、负载电流的影响。但不管空载还是负载，励磁载荷的施加方法是相同的，即在励磁绕组图元中加载励磁电密。磁力线分布图见图 3。
的电磁设计方案（表 1）。
表 1 电机磁密
气隙磁密
7 300
电枢齿部磁密
15 091
电枢轭部磁密
10 345
磁极极身磁密
14 248
转子磁轭磁密
11 236
额定负载时的电枢磁密
17 766
额定负载时电枢轭部磁密
11 474
注：磁密单位为高斯
2 同步电机的电磁分析
2.1 气隙长度选择电机的气隙长度是影响制造成本和性能的重要
文献标识码：B
文章编号：1005－7676 （2010） 04- 0050- 02