基于Ansoft的直线永磁电机瞬态磁场分析
基于Ansoft的直线感应电机性能分析
D设计分析esign and anal y sis微特电机 2006年第11期基于A n s o f t的直线感应电机性能分析22收稿日期:2005-12-21基于Ansoft 的直线感应电机性能分析裘昌利1,2,张红梅1,刘少克1(1.国防科技大学,湖南长沙410073;2.空军航空大学,吉林长春130000)P erfor m ance Analysis of Linear Inducti o n M ot or Based on AnsoftQIU Chang -li 1,2,Z HANG H ong -m ei 1,L I U Shao -ke1(1.N ationalUn i v ersity of Defence Technology ,Changsha 410073,Ch i n a ;2.Av iation Un i v ersity ofA irf o rce ,Changchun 130000,China)摘 要:使用A nso ft 软件辅助直线感应电机的设计和分析,并对电机的磁场分布和运行性能进行仿真,给出了仿真结果,并对仿真方法作了简要的说明。
关键词:直线感应电机;仿真;性能分析中图分类号:T M 359.4 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2006)11-0022-02Abstract :The process o f desi gn and analysis of li nea r i n -duc ti on mo tor can be d irected by A nso ft .T he distr i buti on of m agnetic field and the runn i ng perfor m ance are discr i bed by si m -u l a ti on fi gures .K ey w ords :li near i nduc tion m otor ;si m u l a ti on ;ana l ys i s of performance1引 言直线感应电机作为线性驱动装置,具有以下特点:(1)通过电能直接产生电磁推力形成直线运动,不需要从旋转运动到直线运动的机械结构转换;(2)速度不受离心力或电机直径的影响;(3)直线电机的特殊结构决定了其散热能力好,但相对传统旋转电机也有许多不足之处;(4)由于气隙较旋转电机大,因此所需的磁化电流较大,使励磁损耗增加;(5)由于直线电机初级铁心两端开断,产生了边端效应,其边端效应包括纵向效应和横向端部效应,特别在高速区域,由于第二类纵向边端效应在次级导体板产生的感应电流的影响,使电机的损耗增加,功率因数降低,并引起推力减小;(6)直线感应电动机的功率因数和效率都比较低。
基于ANSOFT的永磁同步电机电磁场分析
基于ANSOFT的永磁同步电机电磁场分析敖晖;郑乃清【摘要】电机气隙是机电能量转换的重要区域,气隙中的磁通密度是电机设计的重要参数.对7.5kW永磁同步电机,通过有限元分析软件ANSOFT进行建模、定义材料属性和模型属性,经过剖分划网、加载边界条件和负载电流,求解偏微分方程组后,完成后处理,得到永磁同步电机气隙中的磁力线分布图和磁通密度分布图.分析结果为永磁同步电机的优化设计提供指导意义.【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(025)003【总页数】4页(P228-231)【关键词】永磁同步电机;ANSOFT;磁通密度;磁力线分布【作者】敖晖;郑乃清【作者单位】宁德师范学院物理与电气工程系,福建宁德352100;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350002;宁德师范学院物理与电气工程系,福建宁德352100【正文语种】中文【中图分类】TM343稀土永磁电机具有结构简单、铁芯损耗少、效率高、体积小、重量轻、运行可靠等优点，成为新一代高效节能电机中的主要类型.随着稀土材料性能和制造工艺水平的不断提高，永磁同步电动机的磁路设计受到广泛关注，而电机气隙中的磁通密度是电机设计的关键参数，它是分析电机性能、计算空载漏磁系数、极弧系数和磁通波形系数的基础[1-3]，因此值得深入研究.目前国内外学者提出的电机磁路的计算方法主要有：等效磁路法、场路结合分析法和电磁场数值计算法.等效磁路法是研究电机性能和参数的传统方法，由于该方法假设电机磁路中的磁通为均匀分布，所以气隙磁通的计算结果精度不够.场路结合分析法将磁场和磁路的分析方法融合，在电机设计效率和参数计算精度两个方面折中考虑，有较好的实用性.电磁场数值计算法分为有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种基本类型，以有限元分析法最为有效，具有求解方便、精度高、收敛性好等特点.本文针对永磁同步电机在设计中气隙磁通密度求解不易，且精度低的难题，运用ANSOFT软件建立7.5kW永磁同步电机模型，经过前处理、求解和后处理三个步骤，得到永磁同步电机的气隙磁通密度分布图.1.1 电磁场的边值问题电磁场分析的理论基础是麦克斯韦方程组，通常应用两种位函数，一种是标量磁位φ，它仅适用于无电流的无旋场域；另一种是矢量磁位，是时间坐标和空间坐标的函数[4]，包含三个分量，适用于有电流的区域的有旋场.在稳态情况下，电机平面场域Ω上，电磁场边值问题可表示为:式中v=1/μ，ν是磁阻率，μ是磁导率；AZ是矢量磁位；J是源电流密度；H是磁场强度的切向分量；Γ1、Γ2是第一类和第二类边界条件.对方程组（1）可离散化为代数方程组，只要将指定区域划分为有限个小单元，建立偏微分方程组，构造插值函数后即可求解[5].1.2 恒定磁场的边界条件由1.1可知，电机中电磁场的分析与计算可归结为偏微分方程的求解[6].对于偏微分方程，使其解为唯一的辅助条件可分为两种：一种是确定场的初始状态，称为初始条件；另一种是表达场的边界所处的物理情况，称为边界条件.目前，电机电磁场问题主要研究的是没有初始条件而只有边界条件的定解问题即边值问题.在电磁场的实际求解问题中，既有求解域总的区域边界，又有不同媒质（如空气和铁芯）形成的交界面，通常可以归类为如下三种：狄利克莱边界条件、诺依曼边界条件和第三类边界条件[5].狄利克莱条件表明磁势在某个边界的值是给定的，对于电机的磁场而言，磁场主要分布在电机内部，可选电机外一定距离的空间某处为零磁势，即第一类边界条件. 诺依曼条件通常表达几何尺寸和激励源的对称性，对于电机内部的电磁场，当边界上的法向导数值为零时，即为第二类齐次边界条件.由于电机结构具有对称性，其内部的磁场分布，每经过一对极（即一个周期2τ）就重复一次，满足整周期边界条件.为了减少计算量，当磁场满足周期性边界条件时，求解域可以缩小为一对极或一个极内的区域，这样可加快计算速度.2.1 二维建模根据电机生产厂家提供的7.5kW永磁同步电机结构参数见表1，通过ANSOFT软件中的Maxwell 2D，建立永磁同步电机定、转子整体和八分之一结构图，如图1所示.2.2 定义材料属性各种材料的性能设置如下：（1）定、转子冲片材料：DW310-35，输入该材料的B-H曲线.（2）鼠笼条材料：铸铝；相对磁导率1.00002；电阻率：3E-009.（3）定子绕组：铜，相对磁导率：0.999983；电阻率：18E-009.（4）空气：相对磁导率：1.00.（5）磁钢（Y轴方向充磁，N极向上）：N-33SH，相对磁导率：1.002；矫顽力：X轴：0；Y轴：8.9E+009A/m；Z轴：0.（6）磁钢（N极偏左）：N-33SH，相对磁导率1.002；矫顽力：X轴；-8.2693E+005A/m；Y轴：3.0098E+005A/m；Z轴：0.（7）磁钢（N极偏右）：N-33SH，相对磁导率：1.002；矫顽力：X轴：8.2693E+005A/m；Y轴：3.0098E+005A/m；Z轴：0.2.3 划分网格执行Maxwell 2D/Mesh Operations/Assign/On Selection，精度为2mm，求解完成后执行Maxwell 2D/Fields/Plotmesh命令生成如图2所示网格.3.1 模型求解首先需要对模型施加强制边界条件（即第一类边界条件）、周期性边界条件（即二类边界条件）和载荷（如电流、电压等）.永磁同步电动机由永磁体作为激励源，通过前面材料属性中矫顽力设置即可，不必另外加激励.模型求解过程的收敛图如图3所示.3.2 后处理及分析当有限元分析的模型、载荷、边界、求解设置完成后，执行Maxwell2D/Validation Check命令，弹出自检对话框，当所有设置正确后，每项前出现对号提示.自检正确完成后，执行Maxwell 2D/Analysis all命令，启动求解过程.求解过程中，工程进度栏中交替显示系统计算过程的进展信息，如细化剖分、求解矩阵、计算力等，用户可根据需求中断求解，求解结束后，工程信息栏会弹出相应的提示信息.经过后处理阶段得到的磁力线分布图和磁通密度分布图，分别如图4和图5所示.由图4可见，在永磁材料对中位置的定子绕组槽附近磁力线密度大，以它为中心向两侧均匀递减，分布情况可认为是均匀的.在图5中，隔磁槽靠近气隙处呈棕红色，磁通量密度最大，说明此处漏磁大；磁极所对应的定子槽之间磁通密度也较大，说明永磁体磁场与定子电流产生的磁场相互耦合，磁通密度增强.利用ANSOFT软件对7.5kW稀土永磁同步电机进行了磁场数值计算.经过剖分划网、加载边界条件和负载电流，求解偏微分方程组后，完成后处理，得到永磁同步电机气隙中的磁力线和磁通密度分布图，所介绍的步骤和方法简洁明了地验证了转子结构的设计效果，为永磁同步电机的优化设计奠定了基础.【相关文献】[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计 [M].北京：机械工业出版社，1997.[2]汤蕴缪.电机内的电磁场 [M].北京：科学出版社，1998.[3]吴亚麟.稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的设计 [J].电机控制与应用，2006，33（9）：8-11.[4]李钟明.稀土永磁电机 [M].北京:国防工业出版社，2001.[5]杨高.基于Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电动机的设计 [D].重庆：重庆大学，2007.[6]李群女，邹景详，张泽惠.永磁同步电机的优化设计 [J].上海电力学院学报，1994，10（4）：15-21.。
基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析
基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要：为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性，本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。
以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ，首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置；然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异；最后提供了此仿真方法的问题与改进思路，为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。
关键词：Ansoft；退磁引言在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。
对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，永磁体退磁是一个重要的指标[1]。
为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。
当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，进而影响到压缩机的性能。
因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。
目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降 3 % 为限定标准。
但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。
以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能，本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。
1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照 3 % 磁链降低为界限限定。
(整理)Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比.
Ansoft 瞬态磁场计算（未考虑外电路）总结整理：2008-6-4于德国Kassel大学目录1、说明2、电机额定运行时的瞬态场分析与计算2.1 Setup Boundaries/source（重点考虑Source Setup）2.2 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Options]2.3 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Motion Setup]2.4 Solve | Nominal Problem2.5 Post ProcessPost Press/Transistant date：2.5.1计算平均输出功率：Average Output Power2.5.2计算相电流有效值：2.5.3计算输入电功率，由此可以计算效率2.6Post ProcessPost Process/field：2.6.1齿部磁密分布和磁密平均值计算2.6.1.1 齿部磁密分布2.6.1.2 齿部磁密平均值计算2.6.1.3 沿齿弧磁密分布和沿齿磁密分布的差异2.6.2 定子轭部磁密分布和磁密平均值2.6.3 定子轭部磁密分布和磁密平均值2.6.4 气隙磁密分布和磁密最大值3、电机空载额定转速运行时的瞬态场分析与计算3.1 Setup Boundaries/source（重点考虑Source Setup）3.2 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Options]3.3 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Motion Setup]3.4 计算结果4、考虑铁耗的计算结果4.1 铁耗计算设置4.2 额定负载时考虑与不考虑铁耗时的比较4.3 负载很小时的比较4.3.1 考虑铁耗时4.3.2 不考虑铁耗时5、Maxwell 与RmxPrt计算结果比较5.1 磁密及额定值比较5.2 额定转速时永磁相电势比较5.3 气隙磁密分布6、其他心得1、说明以16极36槽调速永磁同步电动机为例进行分析电机的瞬态场计算，电机由RmxPrt 开始，并将该模型加到MAXWELL 11中。
Ansoft 有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析
一、概述此文档介绍了利用Ansoft Maxwell2D 11.0电磁场有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析的方法，读者应先了解Ansoft软件的基本使用方法后阅读本文，Ansoft软件的基本使用方法可参阅《Ansoft工程电磁场有限元分析》（刘国强著，电子工业出版社）。
永磁同步发电机磁场分析的基本流程见图1。
图1 磁场分析的基本流程二、求解空载磁场1.绘制有限元模型（Define Model）Ansoft Maxwell2D 有限元建模的方法主要有三种，一是直接在Maxwell2D 中绘制，选择Define Model-Draw Model 进入后在软件提供的绘图界面上绘制电机模型。
二是利用Ansoft RMXpert导入，点开Maxwell 11 3D的界面，选择Project-Insert RMxpert Design，然后逐项输入电机各项数据。
输入完各项数据后，点击RMxpert-Analyze all，求解电机模型。
求解完成后，点击RMxpert-Analysis Setup-Export-Maxwell 2D Project，生成一个Maxwell 2D模型。
在弹出的对话框中，Project Name中填写模型的名字，Location填写模型存放的路径。
三是用AutoCAD绘制后导入。
将绘制后的AutoCAD图形存成*.dxf格式，在Ansoft Maxwell2D 绘图界面中点击File-Import，选中*.dxf文件在出现的设置转换参数对话框中，将Number of segments for poligonalization of a circle 和Number of segments between control points of a spline 后的数量设置得大一点，点击ok，将AutoCAD图形转换为Maxwell 2D模型图形*.sm2。
界面后选择File-Open, 打开转换好的图形。
Ansoft简明教程磁场分析实例课件
◆ 在CAD中把电枢冲片、磁瓦、壳体组合在一起（图一）。 这样在Maxwell 2D 中就不用再移动组合。
◆ 模型建好后另存为AUTOCAD2000/LT2000格式的图形 文件。
图一
二、Ansoft12的模型导入
◆ 双击桌面上的Maxwell 12图标 启动 Maxwell。执行Maxwell/ Solution Type设置 求解类型见下图三，设置为静磁场求解。 ◆ 执行File/New命令，或者单击工具栏上 按钮 新建一个项目文件。 ◆ 然后单击 新建Maxwell 2D项目。
谢 谢！！！
知识回顾 Knowledge Review
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五、求解情况查看
◆执行Maxwell 2D/Results/Solution data命令，或者单击工具栏上 按 钮，弹出解观察对话框，通过对此对话框的各项操作，可以观察求解 的情况
解观察对话框
收敛数据信息
模型剖分统计信息
1、模型剖分图
◆将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A，选择模型窗口中所有物 体，执行Maxwell 2D/Fields/Plot mesh命令，可以图形显示电机模型 剖分情况。剖分图与模型图的显示切换可以通过项目管理菜单完成， 只要单击鼠标右键，在弹出菜单中选择Field/overlays/mesh plot/mesh，选择Plot Visibility，就可以切换到电机模型图
图七
三、根据导入的模型构建几何模型
◆ 在构建几何模型之前，需要先确 定几何模型的单位系统，执行 Modeler/Units命令，进行几何模 型单位选择。
◆ 列表中默认单位是mm，当选择 新单位时，单击要选择的单位并 执行Recover to new units命令， 将模型窗口的单位转换为要选择 的单位
运用Ansoft14分析永磁同步电机的电磁特性
Topic – Motor Application Note
创建 2D 模型 (续)
选中物体 PhaseA, PhaseB 及 PhaseC， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Duplicate > Around Axis 或使用工具栏图标 。在Angle栏中输入 45 ，单位为degrees ， 在 total number栏中输入8。这就生成了我们所需的所有绕组。
1. Maxwell 选项窗口： 1. 左键单击 General Options 对话框 Use Wizards for data entry when creating new boundaries: Checked Duplicate boundaries with geometry: Checked 2. 左键单击 OK 键
Topic – Motor Application Note
减小 2D 模型的尺寸 (续)
选择 Polyline1， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Sweep > Around Axis. 参数按下面所列出的输入:
重命名区域 Polyline1 为Region。确认我们所选用的材料为真空。同时，你可以通 过增加区域的透明度来改变其渲染效果。
将材料的属性由 vacuum 更改为 Copper。 选中 LapCoil1并将其颜色改为 yellow。
Ansoft Maxwell Field Simulator
Topic – Motor Application Note
创建 2D模型 (续)
选中物体 LapCoil1, 并将其沿Z轴方向旋转 7.5 度, 右键单击选中菜单项 Edit > Arrange > Rotate 或使用工具栏图标 。
基于Ansoft的开关磁阻电动机启动特性的瞬态分析
1 前言
深入研究开关磁阻电机的结构与它的静态以及 动态性能的关系 ,将为开发研究开关磁阻电机应用 于生产实际中奠定理论基础 。由于开关磁阻电机的 结构的特殊性 ,许多问题亟待解决 ,例如 SRM 的振 动 、噪声问题 ,开关磁阻电机的特殊应用 ,以及现代 控制理论在开关磁阻电机中的应用研究等等 。因此 在确切确定开关磁阻电机的参数前对电机的动态以 及静态性能进行计算机仿真就显得十分必要 。
摘要 :利用 Ansoft公司的 M axwell 2D 瞬态模块建立了开关磁阻电动机 ( Sw itched Reluctance Motor简称 SRM )的 仿真模型 ,并对 SRM 的基本特性以及启动过程进行了仿真研究 。这对开关磁阻电动机的优化设计及其控制系统的 设计具有很大的帮助作用 。
A b s tra c t: This paper p resents a modeling of sw itched reluctance motor by using M axwell 2D from Ansoft Corpora2
tion. The basic performance and the starting p rocess of SRM are analyzed based on this model. The results of simulation can be of benefits for the design of sw itched reluctance motor and its control system.
本文利用 Ansoft公司的 M axwell 2D 瞬态模块建 立了六相 12 /10结构的开关磁阻电动机模型 ,并对 本系统进行了仿真研究 。仿真结果比较精确地反映 了开关磁阻电动机的启动过程 ,为 SRM 的优化设 计 ,减少转矩脉动 ,提高启动转矩提供了理论依据 。 而且利用 Ansoft软件可以对所设计电机的各项参数 进行验证 ,以期达到优化设计的目的 ,例如可以改变 定转子极弧 、外径等以改善电机转矩 、速度曲线等 , 并改变电机的启动性能以及其他各项性能 。
基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析
永磁磁极数 ／ 对
４
投稿时 间 ：２ １—６ ２ ００ ０ —５ 作者简 介 ：王振 （ ８一 ）男 ，南 昌大学 电机 与电器 专业研 究生 ，研究 方向 永磁 电机及其 控制 。 １６ ９
研究与探讨
能 源研 究 与 管 理 ２ １（ ） ０ ０ ３
・ ７・ ２
在 确 定 好 电机 的 冲 片 后 ，在 操 作 界 面 上 选 择 ＭＡ ＷＥ Ｌ２ Ｘ Ｌ Ｄ，开始 进行 电机模 型 的 建立 。在 建模 过 程 中 ，需 要 利 用 到模 型 绘 制 快 捷 按 钮 上 的 Ｄａ ｒｗ
．
ｏ ｎ ＡＮＳ ＦＴ Ｏ
Ｗ ＡＮＧ Ｚ ｅ ｈ ｎ， Ｌ Ｕ Ｊａ — ｕ ， Ｗ ＡＮＧ Ａｉ ￣ｎ Ｉ ｉｎ ｇ ｏ － ｇ
（ｅ ａｔ ｅ ｔ ｆ ｌｃ ｉ ｌ ｎ ｕｏ ａ ｃ ｎｉｅｒ ｇ Ｎ ｎｈ ｎ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｎ ｈ ｎ ３ ０ Ｃ ｉ ） Ｄ ｐ ｒ ｎ ｏ ｅｔｃ ｄＡ ｔｍ ｔ ｇ ｅｉ ａ ｃａ ｇ ｉ ｓｙ ａｃ ａ ｇ ３ ０ ３ ｈ ａ ｍ Ｅ ｒ ａａ ｉＥ ｎ ｎ Ｕ ｅ ｉ １ ｎ
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基于Ansoft的车用永磁同步电机电磁场仿真
基于Ansoft的车用永磁同步电机电磁场仿真随着新能源汽车的发展，永磁同步电机得到了广泛应用。
由于其磁场空间分布的复杂性，往往在电机结构设计阶段带来较大的困难，本文基于Ansoft软件提出一种永磁同步电机有限元模型进行电磁场仿真方法，准确计算电机的主要性能和参数，为电机优化设计提供可靠依据。
标签：永磁同步电机；Ansoft；电磁场仿真0 引言在永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）产品设计验证阶段，通过有限元仿真的方式来分析电机电磁场仿真结果，能有效的的替代繁琐耗时的实验分析，为产品的设计和优化提供可靠的依据。
作为电机电磁场有限元仿真软件之一的Ansoft/Maxwell基于是麦克斯韦微分理论，通过将有限元划分成离散空间分布，将电磁场的求解计算转变为数学形式上的矩阵求解，提高电机有限元仿真的准确性，除此之外，其拥有丰富的参数设计和仿真功能，在永磁同步电机设计中应用广泛。
本文以车用的电驱动系统中永磁同步电机作为研究对象，通过建立有限元模型，进行有限元电磁场仿真，从而获取电机运行时的转矩、电流、功率特性以及电感等结果，为优化设计提供可靠依据。
1 基于Ansoft的PMSM有限元模型建立建立准确的PMSM有限元仿真模型是对电机准确电磁场分析的关键。
在PMSM有限元模型的设计中，将定子尺寸通过Ansoft/Maxwell软件中RMxprt参数化模块生成定子模型和绕组方式。
转子部分则通过AutoCAD画出并导入到Ansoft/Maxwell中，然后分别设定相应的面域和材料属性，并设定永磁体的磁场方向，通过网格划分完成模型的建立。
2 基于Ansoft的PMSM有限元电磁场仿真在建立完成PMSM有限元模型后，采用三相对称正弦电流激励的方式，在稳态工况下，完成PMSM有限元模型的基本电磁场仿真。
为保证设定的A、B、C三相激励电流为对称正弦，则三相电流的相位相差120°，且三相电流的频率相同且与电角频率相一致，从而使定子电流产生的电枢磁场与永磁体产生的励磁磁场保持稳态的同步旋转速度。
Ansoft简明教程 磁场分析实例解析
然后在弹出右图对话框，在name栏填上材料名称，下来菜单选择Nonlinoar Permanent Magnet,进行各项参数设置，填入Hc ,Br 等参数。单击确定完成， 选择Material Coordinate Type为笛卡尔坐标系Cartesian，X Component的 Value值为1，其余的为0，径向充磁，另一块磁瓦用同样方法添加材料，不 同之处：选择Material Coordinate Type为笛卡尔坐标系Cartesian，X Component的Value值为-1，其余的为0，完成材料设置
图四
◆ 模型打开后就导入到了ANSOFT中，见下图六： ◆模型导入后需重新建立坐标系，便于下面建模设置。选择工具栏中的 ，把鼠标移至电枢冲片中心，单击，然后结束，参考坐标系建立完成。 见图七
图六
图七
三、根据导入的模型构建几何模型
◆ 在构建几何模型之前，需要先确 定几何模型的单位系统，执行 Modeler/Units命令，进行几何模 型单位选择。 ◆ 列表中默认单位是mm，当选择 新单位时，单击要选择的单位并 执行Recover to new units命令， 将模型窗口的单位转换为要选择 的单位
是以面域的形式显示：
◆ 按自己电机模型情况，建立线圈：
◆ 选择已建立的定子槽和线圈，执行
Modeler/Edit/Duplicate/Around Axis命令，出 现沿轴复制对话框，在Axis选择沿Z轴复制， 相隔30°，进行12次复制，完成电机所有定 子槽及线圈的建立.（根据自己模型实际槽 数建立）：
前复选框打√ 。最后只剩下电枢冲片图形。
图十
图十一
◆ 槽形描好后，把电枢冲片图形隐藏，见下图只剩 下槽形图。 ◆执行Modeler/Edit/Boolean/Unite命令，或者单击工具
基于Ansoft对永磁同步电机静磁场分析
解观察对话框
三角单元与收敛数据关系
分析数据、求解观察
Step 2:将鼠标移至模型窗口，操作Ctrl+A，选择所有物体，执行Maxwell 2D/ Fields/Plot mesh，显示电机模型剖分情况。
模型剖分统计信息
模型剖分图
分析数据、求解观察
Step 3:观察磁场分布。将鼠标移至模型窗口,操作Ctrl+A,选择所有物体，执行
Edit/Duplicate/Mirror
Draw/Arc/Center Point
在Maxwell 2D界面下构建定子槽模型
Step 3：执行Edit/Duplicate/Around Axis，出现沿轴复制，选择Z轴，相隔15度, 进行24次复制。执行Draw/Arc/Center Point，中心原点选择(0,0),用圆弧连接定 子槽，进行复制。执行Modeler/Boolean/Unite命令，将所有线段合成一体。
基于Ansoft对永磁同步 电机静磁场分析
基于Ansoft对永磁同步电机静磁场分析
问题描述：三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕 组、永磁体磁极、转子铁心组成。电机定子内径、外径 分别为74mm和120mm，极数4，定子槽数24。电机为对称 结构可以建立四分之一模型，为了更清晰地了解整个电 机模型的建立情况，在Ansoft界面下采用整域求解，计算 电机的参数及场图分布。
Step 1: 绕组分相。绕组一般采用A、Z、B、X、C、Y表示，A、B、C表示三 相正绕组，X、Y、Z分别代表A、B、C相负绕组，各相正绕组用英文Phase表 示，负绕组用英文Return表示。例如:A表示为A-Phase，X表示为A-Return，其 他表示类似。
B+ C-(Z)
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Ansoft Maxwell的永磁磁力耦合器磁场分析
基于Ansoft Maxwell的永磁磁力耦合器磁场分析杨帆,刘露露【摘要】永磁耦合器能实现电动机和风机、泵类负载间的无机械连接传动，不仅具有调速性能，而且能实现隔振、软启动、软停止，可以适应恶劣环境。
通过三维绘图软件绘制永磁磁力耦合器的传动部件，将模型导入Ansoft Maxwell 软件进行三维静态场以及瞬态场的有限元分析，得出永磁耦合器传动部件在不同气隙下，转差和关键部件的磁密分布、电涡流密度、轴向力、输出转矩的关系，为磁力耦合器的设计制造提供理论依据。
【期刊名称】煤矿机电【年(卷),期】2019(040)003【总页数】3【关键词】永磁耦合器； Ansoft Maxwell软件；有限元分析杨帆,刘露露.基于Ansoft Maxwell的永磁磁力耦合器磁场分析[J].煤矿机电,2019,40(3):26-28.doi:10.16545/ki.cmet.2019.03.0080 引言永磁磁力耦合器是实现永磁驱动技术的一种力的传递装置，主要是采用耦合传动的原理，通过导体与永磁体(涡流式)或两个永磁体之间的非刚性接触相对运动，利用磁场穿过磁路工作气隙进行运动和动力传递，并可通过主、从动体之间气隙的调整控制传递扭矩和负载速度[1]。
国内外对于永磁磁力耦合器的设计与研究还有发展空间，目前有关永磁磁力耦合器的理论还不完备，永磁磁力耦合器设备多在实验基础上研究开发，对于永磁磁力耦合器的推广使用，需要在理论研究和技术层面进行更进一步的研究探索。
本文主要基于Ansoft Maxwell软件对永磁磁力耦合器磁场进行初步分析。
1 磁力耦合器虚拟模型建模参考国外产品目录以及实际产品应用，建立简单的永磁磁力耦合器数学模型，并在三维绘图软件中绘制耦合器的传动部件：主动部件(外钢盘、铜盘)、从动部件(内钢盘、铝盘、永磁体材料),然后将文件导入Ansoft Maxwell软件中。
由于后期做有限云分析时需要模拟模型的真实运行情况，故需要在模型的运动区域设置一个band运动区域[2]。
基于Ansoft的电机设计及瞬态分析_秦新燕
图3
RMxprt 电机参数输入 图7 负载下绕组电流波形
图4
相电流与转速关系曲线 图8 电机的几何模型及二维有限元模型
图9 图5 转矩与转速关系曲线
外部加载电路图及控制开关电路
图 10 图6 空载下气隙磁通波形
空载反电动势波形图
载材料以及边界条 件， 最 终 得到 电 机 的 几 何 模型 及 有 限元模型如图 8 所 示。 为 了 模 拟 电 路 加 载 后， 分析电 机真实的启动运行情 况， 本 文 外 部 电 路 设置 电 机 激 励 源如图 9 所示。 3． 3 仿真结果 不加载激励的情况下， 即将 A 相 和 B 相 绕 组 电 阻 设置为 4． 5G， 外部电源幅值设置为零。给 定动子 转 速 为 2100rpm， 得到空载反电动 势 波 形 如 图 10 所 示。 由 图可知， 在 A 相和 B 相绕组中感生的电动势近似为正
2011 年 2 月 第 28 卷第 2 期
湖北第二师范学院学报 Journal of Hubei University of Education
Feb． 2011 Vol． 28 No. 2
基 于 Ansoft 的 电 机 设 计 及 瞬态 分析
秦新燕， 肖鹏程
( 湖北第二师范学院 物理与电子信息学院， 武汉 430205 )
V 表 示 标 量 电 位， Hc 表 方程式( 1 ) 中 A 为 磁 矢 量， v 是运 动物体 的 速度， J j 是 电流 密 度。 因 有 示矫顽力， 速度项将导致方程 式 为 非 对 称 矩 阵， 为 了 避免 这个 问 题， 瞬态求解器使用一个参考框架， 固定在模型某一部 分使速度 v 为 0 。 运 动物体 固 定在 自 身 坐 标 系， 偏时 A ， : 间导数变成 的全时间导数 因而运动方程变为 A － σb + × H c t V b 为导体终点的电压差分。 其中， × v × A = J s － σ 2． 2 铰链导体方程 ( 2)
基于ansoft的电机磁场强度有限元计算
基于ansoft的电机磁场强度有限元计算1. Ansfot一般求解过程Ansfot一般求解过程如框图2所示。
图1 Ansfot一般求解过程图2中最重要的步骤为有限元计算，它的计算结果直接影响整个求解过程的结果分析，所以Ansfot软件是以有限元计算为核心的有限元分析软件。
2. 磁力耦合器磁场强度有限元计算第一步：选择求解器类型建立一个maxwell2D工程文件，在菜单栏中选择Solution Type,出现如下对话框，求解器类型和求解器坐标选择如下图所示图2 求解器类型和求解器坐标的选择第二步：建模用Ansoft作为仿真工具对电机进行建模时，可以在Maxwell 2D模块里直接建立完成，也可以把电机的基本设计参数填入到RMxprt中生成二维模型，其模型如下图所示图3电机平面模型第三步：设置材料属性在完成初步模型后，需要在生成的几何模型里定义电机的材料属性，其设定包括指定转轴及外层面域材料属性为空气、指定隔离套材料属性为铜和定义永磁体材料属性SmCo24第四步：设置激励源和边界条件进行瞬态场分析时，激励源为永磁体所提供此处不用给出，边界条件施加磁通平行边界条件。
图4施加磁通平行边界条件第五步：网格剖分将所有的剖分网格最大长度设置为1mm，如图5所示图5 剖分网格最大长度设置第六步：有限元计算对于有限元计算分析过程中的Analysis Setup 采用默认值。
第七步：后处理1）观察计算完后的网格剖分情况2）观察计算完后的电场强度的分布4.后处理结果1）计算完后的网格剖分情况如图6所示。
图6网格剖分情况2）磁场强度分布情况如图7所示。
a）耦合器磁力线分布情况b）耦合器磁通密度云图分布情况图7磁场强度度分布姓名：王法恒学号：1520310002专业：电气工程。
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和优化提供通过 可靠 的依据 ，许多花费巨大的模 型试 验可 以
同数值模拟取而代之 ， 可 以节省大量的时间和成本。 文章在 合
理 简化的基础上 ， 以 圆 筒 直 线 永 磁 电机 为 例 ， 运 用 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ
易于使用的二维 电磁场有 限元分析软件。Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ包括 电
场、 静磁场 、 涡流场 、 瞬态场 、 和温度场分析模块 ， 可 以 用 来 分
环境下 的 Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ 求解器对直线永磁 电机的瞬态磁场进行仿
真分析 ，并将仿真的结果 与直线感应 电机传统等值电路计算
的结果相 比较， 来验证仿真结果 的正确性。
析 电机 、 传感器 、 永磁设备 等电磁装 置的静态 、 稳态 、 瞬态 、 正 常工况和故 障工况的特性它所包含 的 自上而下执行的用户界 面、 领先 的 自适应 网格剖分技术 、 用户定义材料 库等特点 ， 使 得 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ在易用性 上遥遥领先。 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ具有高性能 矩阵求解器和多 Ｃ Ｐ Ｕ处理能力 ， 提供 了最快 的求解 速度。其 中的瞬态场求解器可方便 的求解任 意波形 电压 、电流及包括 直线和旋转运动 问题 ， 例如 电动机 、 断路器 、 轴承等 ， 瞬态求解 器可同时求解磁场 、 电路及运动等强耦合的方程 ， 因为可以分 析各装置的性能 ，其优点可以利用线路 图绘制器和嵌入式仿 真器与外部 电路协同仿真 ，从 而支持包括 电力 电子开关电路 和绕组连接方式在 内的任意拓扑结构 的仿真 。易于对直线感
第 ４ ０卷第 ９期 ・ 学 术
Ｖ ｏ１ ． ４ ０ Ｓ ｅｐ． ９
湖
南
农
机
２０１ ３ 年 ９ 月
Ｓｅｐ． ２０ １ ３ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＨＵＮＡＮ ＡＧＲＩ ＣＵＵｒ ＵＲＡＬ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
基于 Ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ 的直线永磁 电机 瞬态磁场分析
汝 晓艳
（ 齐 齐哈尔工 程学 院 机 电工程 系 ， 黑 龙江 齐齐 哈尔 １ ６ １ ０ ０ ５ ）
文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ — ８ ３ ２ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ １ ２ ４ — ０ ２
Ａｎ ｓ ｏ ｌ ｆ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
置精度更好 。
２ ＭＡ Ｘ Ｅ Ｌ Ｌ ２ Ｄ 软 件简 介
Ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ 公 司是全球最大 的提供 以电磁 技术 为核心的专业 Ｅ Ｄ Ａ厂商 。Ａ ｎ ｓ ｏ ｉ系列软件 由该公 司开发 ，提供面向机电系 ｆ 统 、高频设计 系统及信号完整性 和电磁兼 容 ／ 电磁 干扰的解 决方案。其 中的 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ模块是一个功能强大 、 结果精 确 、
直线 电机是一种将 电能直接转换成直线运动 ，而不需通 过 任 何 个 间 转换 机 构 纳 新 颖 电机 。直 线 电机 可 广 泛地 应用 于 工业 、 民用 、 军事及其它各种直线运 动的场合 ， 它具有广 阔的 应用和发展前景。电机 的工作状态和性能主要 由电磁 场来决 定 ，而 电磁场数值分析和计算机仿真模拟可 以为产品的设计
摘 要： 文章主要 介绍 了圆筒直线永磁 电机 结构和 工作原理 ， 应用Ａ Ｎ Ｓ Ｏ Ｆ Ｔ公 司的 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ ２ Ｄ的仿真环境建 立圆 筒直线永磁 电机的仿真模型。在 所建立的模型基础上， 对 圆筒直线永磁 电机的瞬态磁场进行 了分析 。 关键词 ： 直线电机 ； 电磁场 ； Ａ Ｎ Ｓ Ｏ Ｆ ］ ＇ ； 有限元 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ３ ２ 文 献 标识 码 ： Ａ
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