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基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析发表时间：2007-9-11 作者: 黄劭刚夏永洪张景明来源: 万方数据关键字: APDL语言同步发电机电磁场有限元介绍了应用ANSYS自带的APDL编程语言进行软件开发，将该软件应用于同步发电机空载磁场分析中，在电机的电磁场计算中实现了电机的自动旋转、自动施加载荷的功能，使用、修改方便，并且计算速度快。
通过对电磁场计算结果的后处理，得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形。
样机测试结果验证了分析结果的正确。
1 前言ANSYS软件是一个功能强大、灵活的，融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。
广泛用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程等一般工业及科学研究领域的设计分析。
在实际的电机电磁场分析中，电机的转子磁极形状、定子齿槽形状、气隙大小以及铁磁材料均已确定，但是当转子相对十定子齿槽的位置不同时一，其计算结果也不相同。
为了分析电机电磁场问题，若把定、转子相对位置固定不变进行求解，再对电磁场计算结果进行傅立叶级数分解来计算电机绕组的电势则误差太大。
为此，需要对定、转子不同位置时一分别进行计算，然后通过电磁场的计算结果求出电机何个定子齿部磁通随转角变化的关系，然后根据磁通的变化率求出电机基波绕组的电势。
ANSYS软件是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，应用ANSYS软件来分析电机电磁场是非常有效的。
但是当采用ANSYS软件的图形用户界面( GUI)操作方式时，每次定、转子之间的旋转、网格剖分、施加载荷进行求解、查看计算结果等都需要人工进行重复操作，使用起来非常繁琐，并且效率低。
为此，木文采用ANSYS软件的APDL语言编写的软件对同步发电机的空载磁场进行研究，实现了电机定、转子之间的自动旋转，自动网格剖分，自动施加载荷以及自动求解的功能。
整个电磁场分析过程无需人工进行干预，使用方便，便于修改，并且大大提高了计算速度。
![23.1 电磁场有限元分析简介_ANSYS 有限元分析从入门到精通_[共3页]](https://img.taocdn.com/s1/m/ba975fdbba1aa8114531d91f.png)
第23章
ANSYS电磁场分析
23.1 电磁场有限元分析简介
1．磁场分析对象
利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，例如：
●电力发电机；
●磁带及磁盘驱动器；
●变压器；
●波导；
●螺线管传动器；
●谐振腔；
●电动机；
●连接器；
●磁成像系统；
●天线辐射；
●图像显示设备传感器；
●滤波器；
●回旋加速器；
●电解器；
●磁悬浮装置。
ANSYS磁场分析的有限元公式由磁场的Maxwell方程组导出，通过将标量势或矢量势
等引入Maxwell方程组中并考虑其电磁性质关系，开发出适合于有限元分析的方程组。
ANSYS软件的其他一些功能增强了软件的电磁分析能力和灵活性。
例如，用户可方便地选择MKS、CGS或其他一些单位制作为电磁场分析的单位制。
作为标准的Frontal求解器的替代者，。
一周总结报告一、ANSYS学习1.学习情况目前正在边看书籍边操作ANSYS系统，已经了解了ANSYS的基本操作系统以及ANSYS 分析过程的三大步骤，大体上知道了它的整个工作流程。
目前正在深入仔细学习每一部分的详细步骤。
现在已经学习了ANSYS有限元分析典型步骤、实体建模、网格划分、创建有限元模型，正在学习加载和求解这一部分。
2.理论知识(1)网格划分与创建有限元模型①设置单元属性，包括：a.选择单元类型，如常用的有PLANE13，PLANE53，INFIN110；在Element Type中设置；b.设置单元实常数，如线圈横截面积、匝数、导体填充率等；c.设置材料属性，如泊松比、材料密等；d.设置单元坐标系统。
②通过网格划分工具设置网格划分属性包括：a.单元属性分配设置，作用是在网格划分之前为模型(包括实体和有限元模型)分配单元属性；b.智能划分水平控制；c.单元尺寸控制，单元尺寸的意思是单元边的长度。
③实体模型的划分ANSYS有两种方式对实体模型进行网格划分。
映射网格划分方法：最大特点就是必须使用形状规则的单元划分，对于面对象必须使用三角形单元或四边形单元，对于体对象只能使用六面体单元。
故划分对象必须形状规则。
不是任何形状的对象都能用映射网格划分。
(2)加载和求解有限元分析的主要目的在于得到系统在特定激励源和边界条件下的响应。
这些激励以及边界条件统称为载荷。
所以载荷包括边界条件和激励。
磁场分析中常见的载荷有磁势、磁通量边界条件等。
载荷分为六大类：自由度约束、集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。
关于载荷步、子步和平衡迭代，通过阅读理论知识自己的理解的总结是：一个实际加载过程需要多次施加不同的载荷才能满足要求，每一步就称为一个载荷步。
一个载荷步可以通过多个子步来逐渐施加。
平衡迭代用于考虑收敛的非线性分析。
3.仿真结果目前按照教程的步骤将ANSYS从建立模型到加载求解再到查看后处理器的整个分析过程大体操作了一遍，目的就是先通过简单模型熟练ANSYS的整体操作。
ANSYS电磁场分析指南（共17章）ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述：ANSYS电磁场分析指南第二章2-D静态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）：ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第九章3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）：ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏：ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元：ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析：ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析：ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：第一章磁场分析概述1.1磁场分析对象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：·电力发电机·磁带及磁盘驱动器·变压器·波导·螺线管传动器·谐振腔·电动机·连接器·磁成像系统·天线辐射·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：·磁通密度·能量损耗·磁场强度·磁漏·磁力及磁矩· S-参数·阻抗·品质因子Q·电感·回波损耗·涡流·本征频率存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
第三章二维时谐分析（2-D Harmonic (AC) Analysis）分析对象：正弦交变电流产生的效应∙Eddy currents涡流∙Skin effects集肤效应∙Power loss due to eddy currents涡流损耗∙Forces and torque力和力矩∙Impedance and inductance阻抗和自感∙Two contacting bodies with dissimilar meshes不同网孔（如转子/定子气隙）典型应用：∙Transformers变压器∙Induction machines电感器∙Eddy-current braking systems涡流刹车系统∙Most electromagnetic devices that work on AC交流电磁装置不能有永磁体，不考虑磁滞效应。
3.1 线性分析与非线性分析∙严格上讲，时谐分析只适用于线性分析。
∙中等饱和的非线性问题，如果不关心波形畸变，只关心时间平均的量，则可分析。
∙B-H曲线为等效值。
∙严格的非线性分析只能通过瞬态分析完成。
3.2 所用的单元实体单元：远场单元：电路单元：3.3 创建2D 时谐分析物理环境自由度选项∙ AZ ：无外加电压；用于短路导体∙ AZ-VOLT ：允许外加电压，可模拟多种状况t ϕ∂=--∇∂A Ej j V ωω∇=--E ANote ：d V t ϕ=⎰ (time-integrated potential)，（单位：V s ）。
同一断面上V 是常数。
使用时需要对所有相关节点进行耦合。
∙ AZ-CURR ：用于电压源驱动的线圈（线圈不计涡流）模型物理特性设置∙短路导体∙开路导体：耦合电位；无净电流∙载流块导体：耦合电位；有净电流鼠笼转子等∙载压线圈：耦合电流；外加电压∙载流线圈：外加电流，均匀电流密度建模与剖分∙ 集肤效应的考虑集肤深度：δ==每个集肤深度至少划分一层单元。
施加边界条件与载荷∙ 边界条件与载荷可以加在实体（线、面）上，也可以直接加在有限元模型（节点、单元）上。
∙ 周期性边界条件：Command(s): P ERBC2DGUI: Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Magnetic> Boundary> Vector Poten> Periodic BCs奇对称（odd symmetry）选项表示半个周期对称条件；偶对称（even symmetry）表示全周期对称。
幅值、相位与频率相位（单位为°）：只在多相分析时才有效，单相时令为0。
频率（单位为Hz）：Command(s): H ARFRQGUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frequenc> Freq and Substps求解∙定义时谐分析类型Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis，选择Harmonic analysis.∙定义分析类型（默认Full）Main Menu> Solution> Analysis Options ∙选择方程求解器（2D默认波前求解器）Main Menu> Solution> Analysis Options∙非线性问题迭代选项（默认）Main Menu> Solution> Load Step Opts> Nonlinear> Convergence Crit∙设置频率：Main Menu> Preprocessor> Loads> Load Step Opts> Time/Frequenc> Freq and Substps∙启动求解：线性问题：Main Menu> Solution> Solve> Current LS非线性问题：Command(s): H MAGSOLVGUI: Main Menu> Solution> Solve> Electromagnet> Harmonic Analys> Opt&Solv∙跟踪收敛曲线∙结束求解Command(s): F INISHGUI: Main Menu> Finish查看结果获得的数据:∙Nodal magnetic flux density (BX, BY, BSUM)∙Nodal magnetic field intensity (HX, HY, HSUM)∙Nodal magnetic forces (FMAG: components X, Y, SUM) ∙Nodal Lorentz magnetic forces (FMAG; components X, Y, SUM)∙Nodal reaction current segments (CSGZ)∙Joule heat per unit volume (JHEAT)示例：载压线圈时谐分析命令流：!: 设置环境/batch,list/prep7/title, Voltage-fed thick stranded coil in free space/com, Calculate the current in the coil from an applied AC voltage/com,/com, Parameters/com, n = 500 coil turns/com, s = .02 (coil winding width and depth) meters /com, r = 3*s/2 meters (mean radius of coil)/com,/com,/nopr!: 选择单元et,1,53,,,1 ! airet,2,53,2,,1 ! voltage forced coilet,3,110,,,1 ! far-fieldemunit,mks!:设置材料属性mp,murx,1,1mp,murx,2,1mp,rsvx,2,3.00e-8 ! resistivity of coil!:定义参数s=.02n=500r=3*s/2!: 几何建模rectng,s,2*s,0,s/2pcirc,0,6*s,0,90pcirc,0,12*s,0,90!:布尔操作aovlap,all!: 设置属性、剖分网格asel,s,area,,1aatt,2,1,2asum ! 所选单元的面积求和*get,a,area,,area ! area of 1/2 coil cross-sectionasel,s,area,,4aatt,1,1,3asel,allcsys,1 !: 选择使用柱坐标系lsel,s,loc,x,9*s !: 选取半径为9s的线段lesize,all,,,1esize,,8mshape,0,2d ! mapped mesh with quadsmshkey,1amesh,1,4,3 ! mesh far-field and coilsmrtsize,2esize,s/4mshape,1,2d ! specifytriangle elementsmshkey,0 ! free meshamesh,5 ! mesh air region!: 定义线圈实常数r,1,2*a,500,,1,1 ! coil constants：序号1，面积2a，! 匝数500，电流1A，填充因子1!: 选择线圈单元，耦合电流esel,s,mat,,2 ! get coil elementsnsle,s !: 选择节点cp,1,curr,all ! couple curr dof in coilallsel,all !: 选择全部对象!: 设置无限远边界csys,1nsel,s,loc,x,12*ssf,all,inf ! set infinite surface flag csys,0 !: 换回直角坐标系!: 设置对称轴（y轴）上的边界条件nsel,s,loc,x,0d,all,az,0 ! flux-parallel condition allsel,allfinish!: 建模及剖分结束。
以下进入求解过程/soluantype,harm !: 定义分析类型为谐分析esel,s,mat,,2 !: 给线圈单元施加电压载荷bfe,all,vltg,,12 ! 12 volts load (real) esel,allharfrq,60 ! 60 Hz.solvefinish!: 选择求解结束，进入后处理器/post1set,1 !: 选择实部plf2d ! Plot real flux lines!: 获取线圈电流n1=node(s,0,0) ! get anode on the coil*get,ireal,node,n1,currset,1,1,,1 读取虚部结果plf2d ! Plot imaginary flux lines *get,imag,node,n1,curr*status ! Imaginary and real components of currentFinishU=12 VI=1.1921976-j1.62066033 AZ=R+jX=U/I=3.53429+j4.80448 ΩR=3.53429 Ω, X= j4.80448 ΩL=0.0127443 H 基于直流计算的电阻：500 3.534292lR S ρ==Ω 视在功率：*7.153199.723962UI P j P jQ ==+=+ （有功功率和无功功率） 基于ANSYS 单元计算的功率损耗：3.57659327.153186W ⨯=（等于P ） 基于ANSYS 单元计算的存贮能量：0.005624320.0112486J ⨯=如果套用212e E I L =的公式，I e 为有效值，得到 22110.012897W 24e E I L I L === 比基于单元计算的结果略大10%。
原因不清楚。
将线圈高度延长4倍，保持线圈匝数、厚度、填充因子等其他参数不变，问电感、电阻、损耗等将如何变化？U=12 VI=1.629333-j4.41289096 AZ=R+jX=U/I=0.883589+j2.39306 ΩR=0.883589 Ω, X= j2.39306 ΩL=0.00634778 H 基于直流计算的电阻：5000.883573lR S ρ==Ω 能量损耗：*9.776326.47732UI P j P jQ ==+=+ 基于ANSYS 单元计算的存贮能量：0.01423120.028462J ⨯=换算成平均功率（j ω⨯）：基于ANSYS 单元计算的工具损耗：4.88829.776W ⨯=作业：2D非线性时谐分析（教材实例2）一厚度5mm的无限大钢板位于磁场强度Hm=2644.1A/m的线圈中，频率50Hz。
