有限元分析Ansoft在电机领域中的应用
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有限元分析 Ansoft 在电机领域中的应用
一 ansoft 软件各模块的简单介绍
1 RMxprt
该软件用于探索电机设计空间、快速确定设计方案，并能进行优化设计 它已经可以进行十三种电机类型的设计：
三相感应电机 单相感应电机 永磁无刷直流电机 永磁直流电机 通用电机 开关磁阻电机 调速运行永磁同步电机 自起动三相永磁同步电机 三相同步电机 三相同步发电机 永磁同步发电机
输入数据自动验证 提供美国、中国材料库和公制、英制尺寸 针对电机种类的多种绕组型式和用户定义绕组连接方式 多种负栽种类: 恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵 三维斜槽和端部效应 无刷电机、开关磁阻电机、永磁同步电机驱动线路类型、控制方式选择和开关管参数设定
2. Maxwell 2D
Transient: 瞬态分析
电机端部例子 主 从 slave 面 原点坐标 定子槽上下之间的绝缘，有绝缘边界，槽体也有绝缘 导条里电流交变的变化
三维带运动
爪极发电机
参数化优化设计 RMxprt 参数设计
Input parameters
输入变量 data sweep t_start
t_end
postprocessor patameter table
上面参数输入完毕之后 点取 analysis /analytical design,
出现提示“Design program ran successfully”后表明分析完毕 此时打开 Post process/design output 程序将给出设计结果：
具体数据如下：
T hree-Phase Induction Motor Design
Bottom Free Space in Slot (%): 0
Conductor Length Adjustment (mm):
15
ROT OR DATA
Number of Rotor Slots: 32
Air Gap (mm): 0.3
Inner Diameter of Rotor (mm):
37
OPTIMETRICS 自动产生和修改宏。用户建立一个项目并定义要改变的独立参数。宏编辑器模块自动解 释宏文本中的特显行，使用户可定义独立变量，然后用户再定义在参数分析中需计算的非独立变量，或在 优化中需最小化的 COST 函数。非独立变量和 COST 函数在 HFSS 中可以是任意的计算值：场值、S-参数、 频率响应、本征模、阻抗等。HFSS 执行所要求的计算，向参数分析提供便利的表格形式的输出，向优化提 供最佳的设计要求。报告生成器使用户能绘出参数仿真中独立参数与非独立参数间的关系以及优化中费用 函数及其他度量与周期的关系。
4. Optimetrics
Optimetrics 是 Maxwell 3D 的选件模块，用于优化、参数分析和敏感性分析。Optimetrics 为设计者评估 特定参数和目标函数之间关系最终进行装置优化提供了有力工具。采用宏功能，仿真过程中可以对形状、 激励/边界条件、频率等进行参数分析优化。
OPTIMETRICS 是绝佳的参数化和优化引擎，它可让用户从一非常简洁易用的界面执行参数分析、敏感 性分析、优化和其他许多设计研究。OPTIMETRICS 模块驱动 ANSOFT 的电磁场解算器，使工程师们能用精确 电磁场仿真来设计电子器件和产品。采用 OPTIMETRICS，就可以很快很轻易地执行大量的设计变量、优化 器件，并自动进行实验设计研究来推导出敏感性和不确定性与制造容差之间的函数关系。
Frequency (Hz): 50
St ray Loss (W): 22
Friction and Wind Loss (W): 22
Type of Load: Constant Torque
Iron Core Length (mm):
105
Stacking Factor of Iron Core: 0.95
5. simplorer
二 沈阳 ansoft 电磁场培训笔记摘要
1) RMxprt 笔记摘要
其中的 periodic 寻找对称周期 difference: 定转子相差一定角度
2． Maxwell 2D 笔记摘要 Maxwell2D 里面的定义充磁方向问题：
径向充磁： assign align object : 沿物体方向 align with a given diretion: 沿与 x 轴以一定的角度 align relative to orientation: 角度可以是函数 如 OUT=PHI, IN=PHI-180 PHI: 物体上的该点与圆心所构成的直线与 x 轴的夹角。 Ansoft 里面区分大小写
Type of Rotor Slot:3
Dimension of Rotor Slot
hr0 (mm): 0.5
hr01 (mm): 0
hr1 (mm): 1
hr2 (mm): 14.5
br0 (mm): 1
br1 (mwk.baidu.com): 4.5
br2 (mm): 2
rr (mm):
0
Skew Width (mm): 8.53544
二维电磁场、温度场，瞬态场分析软件，Maxwell® 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维 电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或 RZ 对称的条件下采用。
3. Maxwell 3D
包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损 耗计算和热分析模块，其核心是针 对三维电磁场分 析而优化的有限元技术。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得 Maxwell 3D 成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应具有不可 忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下 的阻抗(R 和 L)、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B 和 H 分布图、能量密度、温度分布等图形结果。
静电场： 静磁场：
涡流场： 瞬态场：
电压电流激励， 标量位 ED—力、转矩，储能 永磁 直流电流 外部边界上的静态磁场
1. 单纯正弦 正弦电流（给幅值） 2. 时变外部激励等 任意电流、电压 外接力、转矩
例子：
流程 create: name magneticstatic thermal simulation
Height of End Ring (mm): 15
Width of End Ring (mm): 15
Resistivity of Rotor Conductor
边界激励
封闭物体加电流方法：
先选截面，surface\section,选 YZ 面，选物体后，ok, slice,slice1 cover lines, 包络线――面 slice1
加电流后，选 face, slice face, 1000A， plot cutplane set Mag B
solid 实心导体 strand 多根线
Type of Steel: D23-50
STAT OR DATA
Number of Stator Slots: 36
Outer Diameter of Stator (mm):
155
Inner Diameter of Stator (mm):
98
Type of Stator Slot:2
Dimension of Stator Slot
激励可以用 Function, 其中 P 代表电机现在位置，S 为转速，T 为仿真起始时间 Edit/电路编辑器， 电阻，主绕组，漏感，
周期边界条件 ：
奇数个极 slave= －master 偶数个极 slave= master
motion setup： 设定 band 边界，内为运动，外为静止 band 把转子包起来
Maxwell2D 静态分析：
Total: 总的电流电压， 100,-100,50,-50 在 maxwell2d 静态分析种可以设定求解变量，在后处理中用的到。 Number of required pass: 需要求解的次数。 Solve comvergens: 收敛过程 Solution matrix: 求解矩阵，如电感矩阵，得到的是单位长度的电感，还要进行计算
File: c:/pmsm.pjt/3p.pjt/3p.res
GENERAL DATA
Given Output Power (kW): 2.2
Rated Voltage (V): 380
Winding Connection: Wye
Number of Poles: 4
Given Speed (rpm): 1450
hs0 (mm): 0.8
hs1 (mm): 0.5
hs2 (mm): 11.1
bs0 (mm): 2.8
bs1 (mm): 4.5
bs2 (mm): 6.6
Number of Conduct ors per Slot :41
Number of Parallel Branches: 1
Number of Wires per Conductor: 2
可以设置函数转速：
0 3000 1 3000 2 6000 3 6000 model depth:
轴向长度
3．Maxwell3D ACIS-based Kernel
*.sat, *.igs *.stp *.sld *.geo
材料参数变化 3D solver： 静电场
静磁场 涡流场 温度场 瞬态场：电机运动，负载变化，动态过程
3D 瞬态分析的例子
3 相变压器 face，source, coil terminal boundary, even 磁力线垂直
winding setup：voltage , strand, function 1414*sin(360*50*T), voltage A, total turns 1669 等
Type of Coils: 12
Coil Pitch: 18
Wire Diameter (mm): 0.71
Wire Wrap Thickness (mm): 0.05
Slot Insulat ion Thickness (mm): 0.4
Top Free Space in Slot (%): 0
Rmxprt 优化设计
Simplorer 的部分内容
preview
三 ansoft 在电机设计分析领域中的应用举例
Rmxprt 的应用:
以 2.2kwY 系列三相感应电动机为例， 界面输入数据入下： General 界面：
stator1 界面 stator2 界面
rotor1 界面： rotor2 界面：
特点：
向导式介面，参数化输入: 工作条件,几何尺寸, 材料特性 基于磁网路法 的快速解析分析 详细的结果输出：图形和表格 利用对称条件生成最小有限元分析模型，用于电机动态过程详细有限元分析 参数化设计能力：尺寸、材料等无需指定。可用一定变化范围的变量表示 优化设计功能 求解时考虑材料非线性 b – h 特性 自动设计功能: 槽型设计和线规选择 提供丰富的预设计电机模型库
后处理部分：surface-all 选择
mag B : 磁密幅值，上限可以调整 B-vector: B 矢量
在某些曲线上的数据的图形显示
这里注意一下后处理中计算器的应用。 以及后处理中 Macro 宏的录制和应用问题。
瞬态边界设定： phaseA： 激励：电流，电压，外电路(external circuit)
3 维 Vector B 只在表面画出，磁密可以在体上画出，
可以强加边界条件， pick face
涡流场分析：
将上面的例子中的圆棒材料改为铜，圆环也改为铜，
非封闭加电流
注意：加电流的面必须在边界上，
pick face: swap direction(转变电流方向) value 10000A
R 10 H 1000 36 段 x=0 y=0 z=500 circle 轴在 x 轴上 R=0 Sweep along axies Circle 360
移动坐标系 solid 分割
range 0 刚刚包住求解区域
设定材料： backgrand : air 中间圆棒： steel 圆环： copper
一 ansoft 软件各模块的简单介绍
1 RMxprt
该软件用于探索电机设计空间、快速确定设计方案，并能进行优化设计 它已经可以进行十三种电机类型的设计：
三相感应电机 单相感应电机 永磁无刷直流电机 永磁直流电机 通用电机 开关磁阻电机 调速运行永磁同步电机 自起动三相永磁同步电机 三相同步电机 三相同步发电机 永磁同步发电机
输入数据自动验证 提供美国、中国材料库和公制、英制尺寸 针对电机种类的多种绕组型式和用户定义绕组连接方式 多种负栽种类: 恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵 三维斜槽和端部效应 无刷电机、开关磁阻电机、永磁同步电机驱动线路类型、控制方式选择和开关管参数设定
2. Maxwell 2D
Transient: 瞬态分析
电机端部例子 主 从 slave 面 原点坐标 定子槽上下之间的绝缘，有绝缘边界，槽体也有绝缘 导条里电流交变的变化
三维带运动
爪极发电机
参数化优化设计 RMxprt 参数设计
Input parameters
输入变量 data sweep t_start
t_end
postprocessor patameter table
上面参数输入完毕之后 点取 analysis /analytical design,
出现提示“Design program ran successfully”后表明分析完毕 此时打开 Post process/design output 程序将给出设计结果：
具体数据如下：
T hree-Phase Induction Motor Design
Bottom Free Space in Slot (%): 0
Conductor Length Adjustment (mm):
15
ROT OR DATA
Number of Rotor Slots: 32
Air Gap (mm): 0.3
Inner Diameter of Rotor (mm):
37
OPTIMETRICS 自动产生和修改宏。用户建立一个项目并定义要改变的独立参数。宏编辑器模块自动解 释宏文本中的特显行，使用户可定义独立变量，然后用户再定义在参数分析中需计算的非独立变量，或在 优化中需最小化的 COST 函数。非独立变量和 COST 函数在 HFSS 中可以是任意的计算值：场值、S-参数、 频率响应、本征模、阻抗等。HFSS 执行所要求的计算，向参数分析提供便利的表格形式的输出，向优化提 供最佳的设计要求。报告生成器使用户能绘出参数仿真中独立参数与非独立参数间的关系以及优化中费用 函数及其他度量与周期的关系。
4. Optimetrics
Optimetrics 是 Maxwell 3D 的选件模块，用于优化、参数分析和敏感性分析。Optimetrics 为设计者评估 特定参数和目标函数之间关系最终进行装置优化提供了有力工具。采用宏功能，仿真过程中可以对形状、 激励/边界条件、频率等进行参数分析优化。
OPTIMETRICS 是绝佳的参数化和优化引擎，它可让用户从一非常简洁易用的界面执行参数分析、敏感 性分析、优化和其他许多设计研究。OPTIMETRICS 模块驱动 ANSOFT 的电磁场解算器，使工程师们能用精确 电磁场仿真来设计电子器件和产品。采用 OPTIMETRICS，就可以很快很轻易地执行大量的设计变量、优化 器件，并自动进行实验设计研究来推导出敏感性和不确定性与制造容差之间的函数关系。
Frequency (Hz): 50
St ray Loss (W): 22
Friction and Wind Loss (W): 22
Type of Load: Constant Torque
Iron Core Length (mm):
105
Stacking Factor of Iron Core: 0.95
5. simplorer
二 沈阳 ansoft 电磁场培训笔记摘要
1) RMxprt 笔记摘要
其中的 periodic 寻找对称周期 difference: 定转子相差一定角度
2． Maxwell 2D 笔记摘要 Maxwell2D 里面的定义充磁方向问题：
径向充磁： assign align object : 沿物体方向 align with a given diretion: 沿与 x 轴以一定的角度 align relative to orientation: 角度可以是函数 如 OUT=PHI, IN=PHI-180 PHI: 物体上的该点与圆心所构成的直线与 x 轴的夹角。 Ansoft 里面区分大小写
Type of Rotor Slot:3
Dimension of Rotor Slot
hr0 (mm): 0.5
hr01 (mm): 0
hr1 (mm): 1
hr2 (mm): 14.5
br0 (mm): 1
br1 (mwk.baidu.com): 4.5
br2 (mm): 2
rr (mm):
0
Skew Width (mm): 8.53544
二维电磁场、温度场，瞬态场分析软件，Maxwell® 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维 电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或 RZ 对称的条件下采用。
3. Maxwell 3D
包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损 耗计算和热分析模块，其核心是针 对三维电磁场分 析而优化的有限元技术。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得 Maxwell 3D 成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应具有不可 忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下 的阻抗(R 和 L)、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B 和 H 分布图、能量密度、温度分布等图形结果。
静电场： 静磁场：
涡流场： 瞬态场：
电压电流激励， 标量位 ED—力、转矩，储能 永磁 直流电流 外部边界上的静态磁场
1. 单纯正弦 正弦电流（给幅值） 2. 时变外部激励等 任意电流、电压 外接力、转矩
例子：
流程 create: name magneticstatic thermal simulation
Height of End Ring (mm): 15
Width of End Ring (mm): 15
Resistivity of Rotor Conductor
边界激励
封闭物体加电流方法：
先选截面，surface\section,选 YZ 面，选物体后，ok, slice,slice1 cover lines, 包络线――面 slice1
加电流后，选 face, slice face, 1000A， plot cutplane set Mag B
solid 实心导体 strand 多根线
Type of Steel: D23-50
STAT OR DATA
Number of Stator Slots: 36
Outer Diameter of Stator (mm):
155
Inner Diameter of Stator (mm):
98
Type of Stator Slot:2
Dimension of Stator Slot
激励可以用 Function, 其中 P 代表电机现在位置，S 为转速，T 为仿真起始时间 Edit/电路编辑器， 电阻，主绕组，漏感，
周期边界条件 ：
奇数个极 slave= －master 偶数个极 slave= master
motion setup： 设定 band 边界，内为运动，外为静止 band 把转子包起来
Maxwell2D 静态分析：
Total: 总的电流电压， 100,-100,50,-50 在 maxwell2d 静态分析种可以设定求解变量，在后处理中用的到。 Number of required pass: 需要求解的次数。 Solve comvergens: 收敛过程 Solution matrix: 求解矩阵，如电感矩阵，得到的是单位长度的电感，还要进行计算
File: c:/pmsm.pjt/3p.pjt/3p.res
GENERAL DATA
Given Output Power (kW): 2.2
Rated Voltage (V): 380
Winding Connection: Wye
Number of Poles: 4
Given Speed (rpm): 1450
hs0 (mm): 0.8
hs1 (mm): 0.5
hs2 (mm): 11.1
bs0 (mm): 2.8
bs1 (mm): 4.5
bs2 (mm): 6.6
Number of Conduct ors per Slot :41
Number of Parallel Branches: 1
Number of Wires per Conductor: 2
可以设置函数转速：
0 3000 1 3000 2 6000 3 6000 model depth:
轴向长度
3．Maxwell3D ACIS-based Kernel
*.sat, *.igs *.stp *.sld *.geo
材料参数变化 3D solver： 静电场
静磁场 涡流场 温度场 瞬态场：电机运动，负载变化，动态过程
3D 瞬态分析的例子
3 相变压器 face，source, coil terminal boundary, even 磁力线垂直
winding setup：voltage , strand, function 1414*sin(360*50*T), voltage A, total turns 1669 等
Type of Coils: 12
Coil Pitch: 18
Wire Diameter (mm): 0.71
Wire Wrap Thickness (mm): 0.05
Slot Insulat ion Thickness (mm): 0.4
Top Free Space in Slot (%): 0
Rmxprt 优化设计
Simplorer 的部分内容
preview
三 ansoft 在电机设计分析领域中的应用举例
Rmxprt 的应用:
以 2.2kwY 系列三相感应电动机为例， 界面输入数据入下： General 界面：
stator1 界面 stator2 界面
rotor1 界面： rotor2 界面：
特点：
向导式介面，参数化输入: 工作条件,几何尺寸, 材料特性 基于磁网路法 的快速解析分析 详细的结果输出：图形和表格 利用对称条件生成最小有限元分析模型，用于电机动态过程详细有限元分析 参数化设计能力：尺寸、材料等无需指定。可用一定变化范围的变量表示 优化设计功能 求解时考虑材料非线性 b – h 特性 自动设计功能: 槽型设计和线规选择 提供丰富的预设计电机模型库
后处理部分：surface-all 选择
mag B : 磁密幅值，上限可以调整 B-vector: B 矢量
在某些曲线上的数据的图形显示
这里注意一下后处理中计算器的应用。 以及后处理中 Macro 宏的录制和应用问题。
瞬态边界设定： phaseA： 激励：电流，电压，外电路(external circuit)
3 维 Vector B 只在表面画出，磁密可以在体上画出，
可以强加边界条件， pick face
涡流场分析：
将上面的例子中的圆棒材料改为铜，圆环也改为铜，
非封闭加电流
注意：加电流的面必须在边界上，
pick face: swap direction(转变电流方向) value 10000A
R 10 H 1000 36 段 x=0 y=0 z=500 circle 轴在 x 轴上 R=0 Sweep along axies Circle 360
移动坐标系 solid 分割
range 0 刚刚包住求解区域
设定材料： backgrand : air 中间圆棒： steel 圆环： copper