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
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
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 。
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。
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
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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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。
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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。
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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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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：
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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。
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 + ∫
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。
电机电磁场的 ∂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。
∂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