电机电磁场的仿真分析

ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介
创建物理环境： 创建物理环境： /TITLE：定义分析标题 ： /UNIT：定义单位制 ： ET或KEYOPT：说明单元类型及其选项 或 ： LOCAL：定义单元坐标系 ： MP：定义线性材料特性 ： MPREAD：对导磁材料导入 ：对导磁材料导入B-H曲线 曲线 R：定义实常数。可用来定义绞线圈的几何形状、 ：定义实常数。可用来定义绞线圈的几何形状、 绕组特性以及描述速度效应等。 绕组特性以及描述速度效应等。
ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介
ANSYS程序中磁场分析的类型： ANSYS程序中磁场分析的类型： 程序中磁场分析的类型 静态磁场分析： 2-D（3-D）静态磁场分析：分析直流电或永磁体所产 生的磁场。 生的磁场。 谐波磁场分析： 2-D（3-D）谐波磁场分析：分析低频交流电流或交流 电压所产生的磁场。 电压所产生的磁场。 瞬态磁场分析： 2-D（3-D）瞬态磁场分析：分析随时间任意变化的电 流或外场所产生的磁场。 流或外场所产生的磁场。 电机内的磁场问题（例如气隙磁场、槽内磁场等） 电机内的磁场问题（例如气隙磁场、槽内磁场等） 大多可以简化成二维的情况， 大多可以简化成二维的情况，但是对于绕组端部电磁场 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。
电机电磁场的理论基础
结构方程： 结构方程： 表示场量之间关系的结构方程有： 表示场量之间关系的结构方程有：
D = ε E, J = σ E, B = µH
它表明了电磁性能关系， 它表明了电磁性能关系， ε , σ , µ 分别为电容 电导率和磁导率。对于线性媒质， 率、电导率和磁导率。对于线性媒质，它们是常 对于非线性媒质，它们随场强的变化而变化。 数；对于非线性媒质，它们随场强的变化而变化。
电机电磁场的仿真分析
ANSYS软件应用 软件应用
电机电磁场的仿真分析
电机内的电磁场 ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介 一个应用实例
电机内的电磁场
电机内的电磁场从它的分布区域及其作用来看， 电机内的电磁场从它的分布区域及其作用来看，大致可 分为：（ ：（1 气隙磁场；（ ；（2 分为：（1）气隙磁场；（2）凸极同步电机磁极间的漏磁场 或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场；（ ；（3 槽内漏磁场； 或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场；（3）槽内漏磁场； 绕组端部电磁场；（ ；（5 铁心中的磁场；（ ；（6 （4）绕组端部电磁场；（5）铁心中的磁场；（6）实心转 子中的电磁场等。按照是否随时间变化， 子中的电磁场等。按照是否随时间变化，电机内的电磁场可 分为： 恒定磁场；（ ；（2 时变电磁场。 分为：（1）恒定磁场；（2）时变电磁场。 同步电机的主极磁场、极间漏磁场等属于恒定磁场。 同步电机的主极磁场、极间漏磁场等属于恒定磁场。交 流电机定子槽内导体的涡流损耗、 流电机定子槽内导体的涡流损耗、实心转子感应电机内的电 磁场问题等均属于时变电磁场问题。由于电机中的交变电磁 磁场问题等均属于时变电磁场问题。由于电机中的交变电磁 场频率很低，因此位移电流可以忽略不计， 场频率很低，因此位移电流可以忽略不计，属于似稳电磁场 的范畴。 的范畴。
∂D ∇× H = J + ∂t
∂B ∇× E = − ∂t
∇ D = ρv
∫
s
D ds = ∫ ρv dv
v
∫
s
B ds = 0
∇ B=0
电机电磁场的理论基础
电机中的电磁力： 电机中的电磁力：
电机中切向电磁力所形成的电磁力矩和电枢绕组中的感应电动 是实现机电能量转换的两个基本要素。电机中电磁力分两类： 势，是实现机电能量转换的两个基本要素。电机中电磁力分两类： 载流导体在磁场内所受到的力。对于长度为的长直载流导线， 载流导体在磁场内所受到的力。对于长度为的长直载流导线， 其力为： 其力为： F = ∫ idl × B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介
ANSYS程序的电场分析功能可用于研究电场三个方 ANSYS程序的电场分析功能可用于研究电场三个方 面的问题：电流传导、静电分析和电路分析。 面的问题：电流传导、静电分析和电路分析。感兴趣 的典型物理量包括电流密度、电场强度、电势颁、 的典型物理量包括电流密度、电场强度、电势颁、电 通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、 电容、 通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电 流以及电势降等。 流以及电势降等。 ANSYS程序进行电磁场分析的另一优点是耦合场分 ANSYS程序进行电磁场分析的另一优点是耦合场分 析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、 析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、 流体及热单元上。 流体及热单元上。此外在对电路耦合器件的电磁场分 析时，电路可被直接耦合到导体或电源， 析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也计及 运动的影响。 运动的影响。
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创建物理环境； 创建物理环境； 建立模型，划分网格，赋予特性； 建立模型，划分网格，赋予特性； 加边界条件和载荷； 加边界条件和载荷； 求解； 求解； 后处理（查看计算结果）。 后处理（查看计算结果）。
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ANSYS软件提供了两种工作模式， ANSYS软件提供了两种工作模式，即人机交互 软件提供了两种工作模式 方式（GUI方式 和命令流输入方式（BATCH方 方式） 方式（GUI方式）和命令流输入方式（BATCH方 式）。 APDL是ANSYS参数化设计的语言， APDL是ANSYS参数化设计的语言，它是一门可 参数化设计的语言 用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化 变量方式建立分析模型的脚本语言， 变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能 化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过 程。
电机电磁场的理论基础
边界条件： 边界条件： 电机电磁场问题中，边界条件一般有一类、 电机电磁场问题中，边界条件一般有一类、二类及周期 性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。 性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。 第一类边界条件： 求解时， 第一类边界条件：用标量位 Φ 求解时，边界上 Φ 为已知 值，即 Φ Γ = C 这时， 为已知。 这时，边界上磁场强度的切向分量 H t 为已知。当用矢量 求解时，边界上为已知值， 磁位 A 求解时，边界上为已知值，即 A Γ = C 这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。 这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线 常可选择一条磁力线作为边界。 即等 A 线，常可选择一条磁力线作为边界。恒定场中还可令 其为参考位（某一常数值或零）。在似稳交变场中， ）。在似稳交变场中 其为参考位（某一常数值或零）。在似稳交变场中，往往在 给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。 给定的周期性条件中实际上已给出参考位点。
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电磁场的源：电流、外加磁场、 电磁场的源：电流、外加磁场、永磁体 在电磁场分析中要计算的量：磁通密度、磁场强度、 在电磁场分析中要计算的量：磁通密度、磁场强度、磁力及 磁矩、阻抗、电感、 磁矩、阻抗、电感、能量损耗等 电磁场单元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、SOLID96、 电磁场单元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、SOLID96、 SOLID97、PLANE121、INFIN9等 SOLID97、PLANE121、INFIN9等。 电磁场分析的步骤： 电磁场分析的步骤：
电机电磁场的理论基础
交界条件：电机常常由多层介质组成，两介质交界 交界条件：电机常常由多层介质组成， 面应满足下列条件： 面应满足下列条件： 电场强度切向分量相等， 电场强度切向分量相等，即 E1t = E2t ； 电流密度法向分量相等， 电流密度法向分量相等，即 J1n = J 2 n ； 交界面上无面电流层时，磁场强度的切向分量相等， 交界面上无面电流层时，磁场强度的切向分量相等， H1t ；如果有面电流存在，则根据全电流定律， = H 2t 如果有面电流存在，则根据全电流定律， 即 H1t − H 2t = J 可得 ； 磁通密度的法向分量相等， 磁通密度的法向分量相等，即 B1n = B2 n ； 矢量磁位的切线分量连续， 矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足 A1t = A2t 。
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建立模型过程中要注意的问题： 建立模型过程中要注意的问题： 注意单位； 注意单位； 建模过程中删除了面后， 建模过程中删除了面后，确保相应地删除了组成 该面的线和关键点； 该面的线和关键点； 一定要在定义完材料特性，实常数、 一定要在定义完材料特性，实常数、单元类型和 单元坐标系后才能划分网格； 单元坐标系后才能划分网格； 充分利用对称性，这样只需对一部分设备建模。 充分利用对称性，这样只需对一部分设备建模。 对称性分为磁力线平行， 对称性分为磁力线平行，磁力线垂直和周期性对 称。
电机电磁场的理论基础
第二类边界条件： 第二类边界条件：即边界上的求解量法向导数 ∂Φ 已知。 已知。用 Φ 求解时 =C
∂n
Γ
已知。 即磁场强度法向分量 H 已知。用
∂A =C ∂n Γ
n
A
求解时， 求解时，则
周期性边界条件： 周期性边界条件：由于电机旋转磁场呈周期性 分布，在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。 分布，在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。
电机电磁场的理论基础
非线性问题： 非线性问题： 研究电磁场问题时， 研究电磁场问题时，媒质的电磁性能参数 ε , σ , µ 可能跟着场强变化而变化。 可能跟着场强变化而变化。 在磁场中，铁磁物质的磁化特性呈非线性关系， 在磁场中，铁磁物质的磁化特性呈非线性关系， µ 是磁场强度或磁通密度的函数。 磁导率 是磁场强度或磁通密度的函数。 在研究涡流问题时， 在研究涡流问题时，导电媒质的电导率 σ 是随 的值变化而变化， 呈现非线性， 着 E , J 的值变化而变化，使 J = σ E 呈现非线性，此 时都应分别满足准涡流方程。 时都应分别满足准涡流方程。
l
铁磁介质在磁场中受到的力。如果媒质中有传导电流， 铁磁介质在磁场中受到的力。如果媒质中有传导电流，相应的 (2) 边密度是 f (1) ,而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是 f ，则总 的力密度是 µr − 1 2 (1) (2)
f = f +f = J ×B+ 2µ ∇B
在电机中计算磁场力时， 忽略掉。 在电机中计算磁场力时，通常可以把 f (2) 忽略掉。
ANSYS电磁场分析简介 ANSYS电磁场分析简介
ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组 ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程组 导出，计算的主要未知量（自由度） 磁势或磁通量， 导出，计算的主要未知量（自由度）是磁势或磁通量， 其它磁场量则由这些自由度得来。 其它磁场量则由这些自由度得来。 ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达 ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达 方式，包括各向同性或各向异性的线性磁导率， 方式，包括各向同性或各向异性的线性磁导率，材料的 曲线和永磁体的退磁曲线。 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，并可以进行力、力矩、 示磁力线、磁通密度和磁场强度，并可以进行力、力矩、 源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。 源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。
电机电磁场的理论基础
电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。 电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。 麦克斯韦方程组出发进行分析
名称 全电流定律 电磁感应定律 高斯定律
磁通连续性定律
积分形式
微分形式
∂D ds ∫l s s ∂t ∂Φ ∂B E dl = − = −∫ ds ∫l s ∂t ∂t H dl = ∫ J ds + ∫