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基于ANSYS软件的稀土永磁无刷直流电机的电磁场分析近年来，由于稀土永磁无刷直流电机具有效率高、转矩低、低压低转速性能好、调速范围广、噪声小、抗干扰能力强、体积小等优点，在国防、工农业生产和日常生活等许多方面获得了越来越广泛的应用。
因此受到了越来越多人的亲睐。
电磁性能是电机设计的重要指标，故研究其磁场的分布具有重要的意义。
和其它的许多励磁的直流电机不同的是，稀土永磁无刷直流电机采用了永磁体作为励磁源，故电机内部电磁场的分布较为复杂，采用传统等效磁路方法分析会遇到周期长，成本高，且会带来比较大误差的困难，而本文采用有限元数值分析的方法来对电机进行分析，很好的解决了上述的困难。
ANSYS14.5是一种在工程上广泛使用的有限元分析软件，本文首利用它提供的GUI命令和命令流（APDL语言）结合起来建立了稀土永磁无刷直流电机的模型，然后经过了前处理阶段、分析计算阶段和后处理阶段，最后分析了其二维的静态磁场，得到了与空载和负载相对应的磁场分布、磁场强度分布、磁流密度分布、电磁力分布。
结果都非常直观明了，计算精度高，而且整个设计周期短，为稀土无刷直流电机的设计分析提供了很好的思路，具有一定的参考意义。
关键词：稀土永磁无刷直流电机,有限元法,ANSYS,电磁场分析、第一章绪论1.1 稀土永磁无刷直流电机产生的背景20 世纪以来，随着全球汽车工业的发展，对石油资源的需求、对生态环境的影响变得越来越大，在这种背景下，各种各样的电动汽车脱颖而出[1]·有刷直流电动机有刷直流电动机拥有良好的启动和调速性能，但其存在换向器和电刷，导致换向火花、电磁干扰、可靠性差、造价高等一系列问题。
·异步电机异步电机结构简单、运行可靠、价格便宜，但其调速和启动性能不佳。
·同步电机同步电机具有良好的运动性能，但其启动性能不佳。
·上世纪三十年代有人提出了用电子换相取代机械换相无刷直流电动机的概念，但当时尚无理想的电子换相器件。
第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边单元方法）6.1何时使用棱边元方法在理论上，当存在非均匀介质时，用基于节点的连续矢量位A来进行有限元计算会产生不精确的解，这种理论上的缺陷可通过使用棱边元方法予以消除。
这种方法不但适用于静态分析，还适用于谐波和瞬态磁场分析。
在大多数实际3-D分析中，推荐使用这种方法。
在棱边元方法中，电流源是整个网格的一个部分，虽然建模比较困难，但对导体的形状没有控制，更少约束。
另外也正因为对电流源也要划分网格，所以可以计算焦耳热和洛伦兹力。
用棱边元方法分析的典型使用情况有：·电机·变压器·感应加热·螺线管电磁铁·强场磁体·非破坏性试验·磁搅动·电解装置·粒子加速器·医疗和地球物理仪器《ANSYS理论手册》不同章节中讨论了棱边单元的公式。
这些章节包括棱边分析方法的概述、矩阵列式的讨论、棱边方法型函数的信息。
对于ANSYS的SOLID117棱边单元，自由度是矢量位A沿单元边切向分量的积分。
物理解释为：沿闭合环路对边自由度（通量）求和，得到通过封闭环路的磁通量。
正的通量值表示单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号（由单元边连接）。
磁通量方向由封闭环路的方向根据右手法则来判定。
在ANSYS中，AZ表示边通量自由度，它在MKS单位制中的单位是韦伯（Volt·Secs），SOLID117是20节点六面体单元，它的12个边节点（每条边的中间节点）上持有边通量自由度AZ。
单元边矢量是由较低节点号指向较高节点号。
在动态问题中，8个角节点上持有时间积分电势自由度VOLT。
ANSYS程序可用棱边元方法分析3-D静态、谐波和瞬态磁场问题。
（实体模型与其它分析类型一样，只是边界条件不同），具体参见第7章，第8章。
6.2单元边方法中用到的单元表 1三维实体单元6.3物理模型区域的特性与设置对于包括空气、铁、永磁体、源电流的静态磁场分析模型，可以通过设置不同区域不同材料特性来完成。
第四章２-Ｄ瞬态磁场分析什么是瞬态磁场分析瞬态磁场分析处置的既不是静态的也不是谐波的磁场，而是由电压、电流或外加场的随时刻无规律转变所引发的磁场转变。
在瞬态磁场分析中咱们所感爱好的典型物理量是：·涡流·涡流致使的磁力·涡流致使的能量损耗瞬态磁场分析能够是线性，也能够是非线性。
2-D瞬态磁场分析顶用到的单元在涡流区域，瞬态模型只能用矢量位方程描述。
只能用以下单元类型来模拟涡流区。
表12D实体单元表2通用电路单元创建2D瞬态磁场分析的物理环境犹如ANSYS其他类型分析一样，瞬态磁分析要成立物理环境、建模、给模型区域赋属性、划分网格、加边界条件和载荷、求解、然后检察结果。
2D瞬态磁分析的大多数步骤都相同或相似于2D静态磁场分析步骤。
本章讨论2D瞬态磁场分析中需要特殊处置的部份。
关于2D瞬态磁场分析中如何设置GUI参考框、单元选项（KEYOPTs）、实常数、单位制与2D静态磁场分析相同，第2章已经作了详细描述。
当概念材料性质时，一样也采纳与第2章中一样的方式。
成立模型，划分网格，指定属性《ANSYS建模与分网指南》详细介绍了建模进程。
成立了模型后，对每一个模型区要指定属性，即指定在第一步中概念好的单元类型、单元选项、材料特性、实常数、单元坐标系等。
利用AATT或VATT命令或其等效途径来指定属性。
详见第2章静态磁场分析部份。
施加边界条件和励磁载荷在瞬态磁分析中，可将边界条件和载荷施加到实体模型上（关键点、线和面），也能够施加到有限元模型上（节点和单元）。
加载方式与第2章静态分析类似。
也能够用命令加载和施加边界条件，对2D 瞬态分析还能够用加载步选项。
本手册第16章对这些载荷步选择有详细描述。
依照概念，瞬态分析中的边界条件和载荷是时刻的函数，实际分析计算时，要将“载荷－时刻”曲线分解成适合的载荷步，“载荷－时刻”曲线的每一个＂拐点＂确实是一个载荷步。
在每一个载荷步中，不仅要概念载荷或边界条件的值，而且还要概念它们所对应的时刻值和一些载荷步选项（如阶跃转变载荷或斜坡转变载荷、自动时刻步长等），重复将这些载荷数据写到载荷步文件中，直到所有的载荷步终止。
ANSYS电磁场分析指南磁宏磁宏分析是ANSYS中的一种电磁场分析方法，用于模拟磁场中的行为。
它基于麦克斯韦方程组和磁性材料的本质特性，可以用来研究磁场的分布、场强和磁通量等。
以下是使用ANSYS进行磁宏分析的一般步骤：1.创建几何模型：使用ANSYS的几何建模工具创建您要分析的几何体。
您可以使用ANSYS的二维或三维建模功能，根据您的需求选择适当的几何形状。
2.设置材料属性：在进行磁宏分析之前，您需要为模型中的材料定义磁性属性。
这包括磁导率、磁饱和和磁滞等。
可以通过库中的材料属性进行选择，或者根据实际材料的特性手动输入。
如果您使用的是标准材料，可以轻松从ANSYS材料库中选择。
3.设置边界条件：确定分析的边界条件非常重要。
根据您的应用场景，您可以设置边界条件为固定零磁场、非磁性条件或具有特定磁场分布的条件。
对于二维问题，您可以设置边界上的磁通量。
这些边界条件将在后续计算中起作用。
4.生成网格：ANSYS使用有限元方法进行分析，因此需要生成适当的网格。
您可以选择不同的网格生成技术，例如自动网格细化、手动加密和剖面网格。
网格的质量对分析结果的准确性和计算时间都有重要影响。
5.定义分析类型和求解器：在ANSYS中，您可以选择不同的分析类型和求解器来求解磁场问题。
例如，您可以选择求解静态磁场、谐振频率或非线性磁场等。
根据您的需求选择适当的求解器，以获得准确的结果。
6.运行计算：在设置了适当的材料属性、边界条件和网格后，您可以运行计算。
ANSYS将使用选择的求解器进行计算，并在计算结束后生成结果。
7.分析结果：计算完成后，您可以查看和分析生成的结果。
这包括磁场分布图、场强、感应电流和磁通量等。
ANSYS提供了丰富的后处理工具，可以帮助您更好地理解分析结果。
除了这些基本步骤，在进行磁宏分析时还有一些注意事项和技巧：1.材料特性选择：选择适当的磁性材料特性对分析结果至关重要。
根据实际材料数据进行选择，并注意磁导率的非线性特性。
ANSYS电机磁场分析ANSYS电机磁场分析是一种利用计算机仿真技术来模拟和分析电机磁场行为的方法。
它可以帮助工程师更准确地预测电机的性能和行为，优化设计，节省成本和时间。
在本文中，我们将详细介绍ANSYS电机磁场分析的原理、应用和优势。
首先，让我们来了解一下ANSYS电机磁场分析的原理。
ANSYS电机磁场分析是基于有限元法的磁场仿真技术，它通过将电机模型划分为许多小单元来离散化计算域，并根据麦克斯韦方程组（包括安培定律和法拉第电磁感应定律）建立电场和磁场方程。
然后使用数值计算方法，如有限差分法、有限元法或边界元法，求解这些方程，得到电磁场的分布情况。
ANSYS电机磁场分析的应用非常广泛，适用于各种类型的电机，包括直流电机、交流电机和无刷直流电机。
它可以用于预测电机的输出功率、扭矩、效率和温度等性能指标，也可以用于优化电机的设计参数，如绕组形状、磁路结构和冷却系统等。
此外，ANSYS电机磁场分析还可以用于故障诊断和故障检测，通过观察电磁场的异常变化来判断电机是否存在故障。
与传统的试验方法相比，ANSYS电机磁场分析具有许多优势。
首先，它可以提供高精度的结果，尤其在复杂几何形状和非线性材料的情况下。
其次，它可以快速计算出电机的性能参数，避免了繁琐的试验过程和高昂的试验成本。
此外，ANSYS电机磁场分析还可以帮助工程师更好地理解电机的工作原理和内部结构，为电机的优化设计提供参考。
在进行ANSYS电机磁场分析时，需要考虑一些关键因素。
首先是边界条件的设置，包括电机的输入电压、电流密度和绝缘材料等。
其次是材料特性的输入，如导磁率、电导率和磁饱和特性等。
此外，还需要准确地建立电机的几何模型，并设置合适的网格划分和求解参数，以保证计算的准确性和效率。
总而言之，ANSYS电机磁场分析是一种强大的工具，可以帮助工程师更好地理解和优化电机的性能。
它可以提供高精度的结果，快速计算各种性能指标，并帮助诊断和检测电机故障。
第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）5.1 在3-D静态磁场分析（标量法）中要用到的单元表1三维实体单元：表2三维界面单元表3三维连接单元表4三维远场单元SOLID96和SOLID97是磁场分析专用单元，SOLID62、SOLID5和SOLID98更适合于耦合场求解。
5.2 磁标量位（MSP）法介绍在磁标量位方法中，可使用三种不同的分析方法：简化标势法(RSP)、差分标势法(DSP)和通用标势(GSP)法。
·若模型中不包含铁区，或有铁区但无电流源时，用RSP法。
若模型中既有铁区又有电流源时，就不能用这种方法。
·若不适用RSP法，就选择DSP法或GSP法。
DSP法适用于单连通铁区，GSP法适用于多连通铁区。
5.2.1 单连通区与多连通区单连通铁区是指不能为电流源所产生的磁通量提供闭合回路的铁区，而多连通铁区则可以构成闭合回路。
参见图1(a)、(b)“连通域”。
数学上，通过安培定律来判断单连通区或是多连通区，即磁场强度沿闭合回路的积分等于包围的电流（或是电动势降MMF）。
因为铁的磁导率非常大，所以在单连通区域中的MMF降接近于零，几乎全部的MMF降都发生在空气隙中。
但在多连通区域中，无论铁的磁导率如何，所有的MMF降都发生在铁芯中。
5.3 3-D静态磁标势分析的步骤该分析类型与2－D静态分析的步骤基本一样：1.建立物理环境2.建模、给模型区域赋属性和分网格3.加边界条件和载荷（激励）4.用RSP、DSP或GSP方法求解5.观察结果5.3.1创建物理环境首先设置分析参数为“Magnetic-Nodal”，并给出分析题目。
然后用ANSYS前处理器定义物理环境包含的项目。
即单元类型、KEYOPT选项、材料特性等。
3D分析的大部分过程与2D分析一致，本章下面部分介绍3D分析中要特殊注意的事项。
· SOLID96单元可为模型所有的内部区域建模，包括：饱和区、永磁区和空气区（自由空间）。
ANSYS教程：ANSYS电磁场分析静态磁场分析：用于分析不随时间变化的磁场，主要包括三类情况：用磁场的磁场，稳恒电流产生的磁场，匀速运动的导体所产生的磁场。
对于三位静态磁场分析，ansys程序采用了两种方法：标量势法（scalar method）和单元边法（edge-based-method），其中标量势法根据其标量势方程的不同又可分为三种不同的标量势分析方法：简化标量势法（RSP）、微分标量势法（DSP）和广义标量势法（GSP）。
使用单元边法时，电流源是作为整个系统的一部分一起进行网格划分的，由此使用该方法不仅能计算常规物流量（如磁场、磁动势等），还能计算诸如焦耳热损、洛伦兹力等。
根据以下原则选择不同的分析方法：当所分析的问题中不含铁芯区域或虽含铁芯区域但不含电流源时，采用RSP法，在含有铁芯和电流源的模型分析中通常不使用RSP 法。
对于“单连通”铁芯区域模型，使用DSP法，对于“多连通”铁芯区域模型，使用GSP法。
单连通区域指的是带有空气隙的磁路不封闭的铁芯系统，没有空气隙的则为磁路封闭多连通铁芯区域系统。
对于非连续介质模型一般采用单元边法进行求解。
提示：单元边法中使用的单元的节点自由度矢量磁势是沿单元边切向积分的结果，其求解精度高于标量势法的求解精度。
单元边法不仅适用于三维静态磁场分析中，也适用于三维谐性和瞬态磁场分析中。
1 电磁场分析中的默认单位制为MKS单位制，即米、安培和秒。
可以定义其他的单位制：main menu/preprocessor/material props/electromag units2 电磁场分析中大多材料的磁性能可以从ansys程序的材料库中读入，用于也可以自己定义材料性能，方法如下：2.1 定义路径main menu/preprocessor/material props/material library/library path2.2 读入材料参数main menu/preprocessor/material props/material library/import librarymain menu/preprocessor/loads/load step opts/change mat props2.3 修正材料参数main menu/preprocessor/material props/material library/export library2.4 定义材料B-H曲线main menu/preprocessor/material props/material models/electomagnetics/BH curve2.5 在模型上施加电流密度载荷main menu/preprocessor/loads/define loads/apply/magnetic/excitation/current density/on elements2.6 施加电压载荷main menu/preprocessor/loads/define loads/apply/magnetic/excitation/volt drop/on elements2.7 进行求解main menu/solution/solve/electromagnet/static analysis/opt&solv2.8 退出求解器main menu/finish谐性磁场分析：用于分析激励源按正弦或余弦规律变化的磁场问题，如变压器、感应式电机，感应加热炉等电磁装置引发的磁场均属于谐性磁场问题。
2009-06-02 18:58 by:有限元来源:广州有道有限元ANSYS软件是世界上著名的大型通用有限元分析计算软件，具有强大的求解器和后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个良好的工作平台，更使我们从繁琐单调的常规有限元分析计算中解脱出来。
无轴承异步电机是在普通电机的定子中再嵌入悬浮控制绕组，通过悬浮绕组磁场对原有绕组磁场的作用，改变了气隙磁场的对称分布，将在转子上产生可控磁悬浮力，实现了转子的悬浮运行。
因此，讨论无轴承电机的运行机理，必须从分析电机中的电磁力着手。
无轴承异步电机中转子受到了洛仑兹力和麦克斯韦力两种不同的电磁力。
计算的方法通常有等效磁路法、近似解析法、位势磁通法和有限元法。
在磁场分布和变化比较复杂且非线性严重的情况下，有限元法精度最高，而使用ANSYS软件既保证了有限元分析的高精度，又大大降低了计算量。
本文所讨论的无轴承异步电机具有非线性饱和磁路，磁场变化复杂。
因此，非常适合用ANSYS进行分析。
1 A NSYS软件简介
ANSYS软件有以下特点：使用方便、涉及面广、易学易用，高效方便的绘图功能，灵活多样的剖分网格形状，疏密程度，多种可选择的迭代求解器，强大的后处理功能。
1．1 A NSYS电磁场分析
ANSYS程序可用来分析电磁场多方面问题，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线、力等。
可有效地分析多种设备，如发电机、电动机、螺线管传动器、开关等。
ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交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进行力、力矩、源输入能量、端电压和其它参数的计算。
1．2 A NSYS软件的分析计算步骤
(1)创建无轴承异步电机有限元分析模型；
(2)定义和分配材料，网格剖分；
(3)施加边界条件和载荷，并求解；
(4)查看并保存计算结果。
2 A NSYS分析无轴承异步电机的实例
为了进一步详细i兑明ANsYs软件在无轴承异步电机电磁分析中的应用，无轴承异步电机采用48齿三相2对极结构，集中式绕组，以额定功率为120w，额定电压380V，额定转速为3000r/min的无轴承异步电机为例：
定子外半径475mm 气隙0．5mm
定子内半经260mm 定子槽数48
转子外半径295．5mm转子槽数40
转子内半径140mm
转矩绕组极对数2 悬浮绕组极对数l
2．1创建无轴承异步电机模型
包括创建定子模型、转子模型和励磁绕组。
由于电机结构的对称性，所以在绘图过程中，只需要画出它的一部分，然后对它进行相应的拷贝操作就可以得到完整的电机图形。
创建转子：首先建一个45°的扇行环面，在弹出的菜单中输入相应的半径和度数。
菜单路径为：MainMenu—Preprocessor—Create—Circle—PartialAnnulus；其次画阻尼槽，创建槽面的具体操作如下：
①确定槽底的圆心坐标，利用Create命令创建一个0°-180°的半圆；②分别在半圆内和45°圆弧外各创建一个关键点，它们的横坐标为槽口宽度的一半；③将两点连成线；
④将该线分别和圆弧的外圈弧线及半圆用Overlap搭接；⑤再利用线创建出半个槽面；
⑥再将其关于X轴映射，再将两个半槽面相加就得到了一个完整的槽面，利用Copy命令将其复制到我们所需的位置；再利用Subtract命令进行挖槽面，并删除多余的面。
至此，转子的八分之一就完成了，接着利用Reflect命令将其关于x轴映射，再利用copy 命令旋转角度复制出剩余部分。
创建定子的方法与创建转子的操作基本相同。
创建励磁绕组具体操作如下：先根据菜单路径
MainMenu→Preprocessor→Create→Keypoint创建关键点，再将关键点连成线，最后通过线连成面即可。
由此，无轴承异步电机的有限元分析模型就已经创建好了，如图1所示。
图1 无轴承异步电机的模型图
2．2定义和分配材料．划分网格
定义材料：采用ANsYS软件分析电机电磁场时，可以将电机定义为由定子、转子、励磁绕组、气隙和转轴5个面组成，然后分别对每一个面输入它的磁化曲线。
菜单路径为：MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels...。
分配材料：用Preprocessor下的Define来实现。
单击DefindF的PickAreas，然后利用鼠标左键选择要分配材料的面，单击OK按钮，系统将给出对话框选择所需材料，再单击OK按钮即可。
网格剖分：先通过菜单路径
MainMen u→Preprocessor→Meshing→SizeCtr→Basic选择网格剖分的精度，再在主菜单MainMenu里，单击Preprocessor菜单项，在弹出的子菜单里选择MeshTool...菜单项，则弹出MeshT001...的子菜单；单击Mesh按钮，弹出对话框，单击PickAlI
按钮，将对整个电机开始进行剖分，网络剖分图见图2。
2．3加边界条件和载荷，并求解
边界条件：本文采用的是平行边界条件，具体步骤如下：选择菜单路径：MainMenu→Solution→AppIy>→Boundary→Par 1 on lines，再单击鼠标左键选择边界。
图2网格剖分图
加励磁电密具体步骤如下：选择菜单路径：Main Menu—Solution—Excitation用鼠标左键选择需要加励磁电密的绕组(注意电流方向)，单击“OK”按钮，在弹出对话框中输入电密值，再单击“0K”按钮。
求解：选择菜单路径：Main Menu→solution>→Electromagnet→Opt&solv，在弹出的对话框中单击OK按钮。
2．4查看计算结果
当完成了以上操作后，可以得到矢量磁位、磁场强度、磁感应强度等结果和磁力线、等磁位线等曲线，图3是无轴承异步电机磁力线分布图。
图3磁力线分布图
用FMAGBc宏能自动给要计算力和力矩的部分加标志，因此我们在程序中使用FMAGBC。
“name”。
该宏自动加虚位移和Maxwell面标志，name是我们为转子(力作用部分)所设定的组元。
加了MxwF标志的面，可计算麦克斯韦力。
先选择单元，再对麦克斯韦力进行列表，命令为PRNsOL、fmag，可将这些力求和以得到合力。
以下是根据上述方法求得的数据列表，NoDE为节点系列号，FMAGx、FMAGY、FMAGz为X、Y、Z方向上的电磁力分量，FMAGSUM为总的电磁力和。
图4气隙均匀时磁悬浮力与悬浮绕组电流关系
由可以计算出在气隙磁场定向控制下、气隙均匀时不同悬浮绕组电流下的磁悬浮力。
图4给出了按本文解析算法和ANSYS软件的电磁场算法所得磁悬浮力与悬浮绕组电流的关系曲线。
图中转矩绕组电流均为额定值。
可以发现，由两套绕组产生的磁悬浮力大小与两绕组电流成正比，两种计算结果能较好地吻合。
3 结论
ANSYS软件是一种功能强大的有限元软件，可以灵活方便地对问题进行分析、计算。
在科学和工程计算领域将会有更广阔的应用前景。
本文根据有限元原理，利用ANSYS软件对无轴承异步电机建模、加载、求解和后处理，因此利用ANSYS软件对无轴承异步电机进行研究具有较强的现实意义。
