有限元分析软件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
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
?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
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。
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。
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。
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
?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
?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)
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
?可以设置函数转速：
03000
13000
26000
36000
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
静电场：电压电流激励，标量位ED—力、转矩，储能
静磁场：永磁
直流电流
外部边界上的静态磁场
涡流场： 1. 单纯正弦正弦电流（给幅值）
2. 时变外部激励等
瞬态场：任意电流、电压
外接力、转矩
?例子：
流程create: name
magneticstatic
thermal simulation
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
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，solid 实心导体
strand 多根线plot cutplane set Mag B
?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
?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
preview
postprocessor
patameter table
Rmxprt优化设计
Simplorer的部分内容
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：
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：
Three-Phase Induction Motor Design
File: c:/pmsm.pjt/3p.pjt/3p.res GENERAL DA TA
Given Output Power (kW): 2.2
Rated V oltage (V): 380
Winding Connection: Wye
Number of Poles: 4
Given Speed (rpm): 1450
Frequency (Hz): 50
Stray 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
Type of Steel: D23-50
STA TOR DA TA
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
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 Conductors per Slot: 41
Number of Parallel Branches: 1
Number of Wires per Conductor: 2
Type of Coils: 12
Coil Pitch: 18
Wire Diameter (mm): 0.71
Wire Wrap Thickness (mm): 0.05
Slot Insulation Thickness (mm): 0.4
Top Free Space in Slot (%): 0
Bottom Free Space in Slot (%): 0
Conductor Length Adjustment (mm): 15 ROTOR DA TA
Number of Rotor Slots: 32
Air Gap (mm): 0.3
Inner Diameter of Rotor (mm): 37 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 (mm): 4.5
br2 (mm): 2
rr (mm): 0
Skew Width (mm): 8.53544
Height of End Ring (mm): 15
Width of End Ring (mm): 15 Resistivity of Rotor Conductor
at 75 C (ohm.mm^2/m): 0.0434
RA TED-LOAD OPERA TION
Stator Resistance (ohm): 3.33976
Stator Leakage Reactance (ohm): 2.87156 Rotor Resistance (ohm): 2.37048
Rotor Leakage Reactance (ohm): 3.53671 Resistance Corresponding to
Iron-Core Loss (ohm): 1633.59
Magnetizing Reactance (ohm): 85.9895
Stator Phase Current (A): 4.74829
Current Corresponding to
Iron-Core Loss (A): 0.121606 Magnetizing Current (A): 2.31022
Rotor Phase Current (A): 3.87539
Copper Loss of Stator Winding (W): 225.897 Copper Loss of Rotor Winding (W): 106.804 Iron-Core Loss (W): 72.4729
Friction & Wind Loss (W): 22
Stray Loss (W): 22
Input Power (kW): 2.62446
Output Power (kW): 2.17529
Mechanical Shaft Torque (N.m): 14.5282 Efficiency (%): 82.8851
Power Factor: 0.832727
Rated Slip: 0.0463542
Rated Shaft Speed (rpm): 1430.47
NO-LOAD OPERATION
Stator Resistance (ohm): 3.33976
Stator Leakage Reactance (ohm): 2.87638 Rotor Resistance (ohm): 2.37023
Rotor Leakage Reactance (ohm): 3.55801
Phase Current (A): 2.46662
Iron-Core Loss (W): 82.2463
Input Power (W): 187.713
Power Factor: 0.102073
Slip: 0.000397066
Shaft Speed (rpm): 1499.4
BREAK-DOWN OPERATION
Break-down Slip: 0.43
Break-down Torque (N.m): 45.5597 Break-down Torque Ratio: 3.13594
LOCKED-ROTOR OPERA TION
Locked-rotor Torque (N.m): 37.9029 Locked-rotor Phase Current (A): 29.1697
Locked-rotor Torque Ratio: 2.60891
Locked-rotor Current Ratio: 6.14319
Stator Resistance (ohm): 3.33976
Stator Leakage Reactance (ohm): 2.46194 Rotor Resistance (ohm): 2.48652
Rotor Leakage Reactance (ohm): 2.46921 DETAILED DATA AT RA TED OPERA TION
Stator Slot Leakage Reactance (ohm): 1.18284 Stator End-Winding Leakage
Reactance (ohm): 1.01125
Stator Differential Leakage
Reactance (ohm): 0.67747
Rotor Slot Leakage Reactance (ohm): 1.77539 Rotor End-Winding Leakage
Reactance (ohm): 0.10821
Rotor Differential Leakage
Reactance (ohm): 1.21313
Skewing Leakage Reactance (ohm): 0.439979
Slot Fill Factor (%): 76.2888
Stator Winding Factor: 0.959795
Stator-Teeth Flux Density (Tesla): 1.50733 Rotor-Teeth Flux Density (Tesla): 1.55901 Stator-Yoke Flux Density (Tesla): 1.39925 Rotor-Yoke Flux Density (Tesla): 1.36969
Air-Gap Flux Density (Tesla): 0.694346
Stator-Teeth Ampere Turns (A.T): 26.0288 Rotor-Teeth Ampere Turns (A.T): 43.2834 Stator-Yoke Ampere Turns (A.T): 33.9397 Rotor-Yoke Ampere Turns (A.T): 8.2077
Air-Gap Ampere Turns (A.T): 239.784
Correction Factor for Magnetic
Circuit Length of Stator Yoke:0.48758 Correction Factor for Magnetic
Circuit Length of Rotor Yoke: 0.362308 Saturation Factor for Teeth: 1.28906 Saturation Factor for Teeth & Yoke: 1.46483 Induced-V oltage Factor: 0.905474
Stator Current Density (A/mm^2): 5.99654
Specific Electric Loading (A/mm): 22.764
Stator Thermal Load (A^2/mm^3): 136.505
Half-Turn Length of
Stator Winding (mm): 24.77
WINDING ARRANGEMENT
The 3-phase, 1-layer winding can be arranged in 18 slots as below: AAAZZZBBBXXXCCCYYY
Angle per slot (elec. degrees): 20
Phase-A axis (elec. degrees): 110
First slot center (elec. degrees): 0
TRANSIENT FEA INPUT DATA
For Stator Winding:
Number of Turns: 246
Parallel Branches: 1
Terminal Resistance (ohm): 3.33976
End Leakage Inductance (H): 0.00321891
For Rotor End Ring Between Two Bars of One Side:
End Ring Resistance (ohm): 1.54146e-006
End Ring Inductance (H): 1.2414e-009
查看电机结构：
首先点击tools/options
再点击analysis /view geometry
在2D modeler中将给出图形：
如果将上面的periodic改为1，difference改为30，得到的geometry如图所示
创建maxwell2D project
Analysis/create maxwell2D project
在弹出的create Maxwell 2D project窗口中输入工程名和存放工程的路径，例如。
点取create以后将出现提示“A Maxwell 2D project named fuday1 created”
到这里此版本的rmxprt的整个流程完毕。
细节问题：
1．非线性材料的数据输入问题
2．View lamni
3．在最新版本中涵盖了参数化设计以及优化设计，
4．在最新版本中还有create simplorer project 功能，即产生simplorer里面的有限元部分
5．Ansoft有独立于以上版本的optimatrics模块，不过是从此模块中调用maxwell2D,maxwell3D,以及RMxprt
下面进入maxwell 2D的使用环节：
Maxwell2D
Maxwell2D选择工程界面：
点取ok以后进入maxwell 2D 主界面：
Maxwell 2D 的求解器
绘图平面：
这里以瞬态场分析为例：
点击Define Model下的Draw model 显示界面如下：