电机电磁场的仿真分析(精选PPT)

名称 全电流定律 电磁感应定律
积分形式
D
Ñl H gdl s J gds s t gds
Ñl Egdl
t
s
B gds t
微分形式
H J D t
E B t
高斯定律
Ñs Dgds v vdv
gD v
磁通连续性定律
4
Ñs Bgds 0
gB 0
电机电磁场的理论基础
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 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，
其力为：
F l idl B
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
边密度是 f (1,)而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是
电机电磁场的仿真分析
̶ ̶ ANSYS软件应用
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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 一个应用实例
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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，大致可 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；（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，电机内的电磁 场可分为：（1）恒定磁场；（2）时变电磁场。
得
；H1t H2t J
磁通密度的法向分量相等，即 ； B1n B2n
矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足 A1t 。A2t 9
电机电磁场的理论基础
非线性问题： 研究电磁场问题时，媒质的电磁性能参数 ,, 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， 磁导率 是磁 场强度或磁通密度的函数。 在研究涡流问题时，导电媒质的电导率 是随 着E, J 的值变化而变化，使 J E 呈现非线性，此 时都应分别满足准涡流方程。
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、电通 量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电流以 及电势降等。
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、 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，同时也计及运动 的影响。 12
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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。
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，材料 的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、源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计 算。 11
分布，在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。
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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 面应满足下列条件：
电场强度切向分量相等，即 E1t ；E2t
电流密度法向分量相等，即 J1n ；J2n
交界面上无面电流层时，磁场强度的切向分量相等，
即 ；H1如t 果H2有t 面电流存在，则根据全电流定律，可
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，往往在给
定的周期性条件中实际上已给出参考位点。
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电机电磁场的理论基础
第二类边界条件：即边界上的求解量法向导数
已知。用 求解时
C n
即磁场强度法向分量 Hn已知。用 A 求解时，则
A C
周期性边界条件：由n 于电机旋转磁场呈周期性
– 建立模型，划分网格，赋予特性；
– 加边界条件载荷；
– 求解；
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– 后处理（查看计算结果）。
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS软件提供了两种工作模式，即人机交 互方式（GUI方式）和命令流输入方式（BATCH 方式）。
ANSYS电磁场分析简介
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、磁力及 磁矩、阻抗、电感、能量损耗等
电磁场单元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、 SOLID96、SOLID97、PLANE121、INFIN9等。
电磁场分析的步骤：
– 创建物理环境；
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS程序中磁场分析的类型： 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。 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。 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。
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，但是对于绕组端部电磁场 13 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。
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、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 场频率很低，因此位移电流可以忽略不计，属于似稳电磁场
3 的范畴。
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。
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电机电磁场的理论基础
边界条件：
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。
第一类边界条件：用标量位 求解时，边界上 为 已知值，
即
C
这时，边界上磁场强度的切向分量 H为t 已知。当用矢量
磁位 A求解时，边界上为已知值，即 A C
这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线
密度是
f f (1) f (2) J B r 1B2
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，f (则2) 总的力
在电机中计算磁场力时，通常可以把 f (忽2) 略掉。
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电机电磁场的理论基础
结构方程： 表示场量之间关系的结构方程有：
D E, J E, B H 它表明了电磁性能关系， ,, 分别为电容 率、电导率和磁导率。对于线性媒质，它们是常 数；对于非线性媒质，它们随场强的变化而变化。