下载文档原格式
研究与开发基于A N SY S二次开发的永磁同步发电机电磁场分析王丽华(南昌大学，南昌330031)摘要本文应用A N SY S提供的A PD L语言编程，设计可视化界面，通过主程序调用模块化子程序，利用do循环语句实现电机自动旋转．剖分、加载荷及求解等过程，方便快捷，同时对电磁场计算结果进行后处理，得出永磁同步发动机的绕组磁链、端电压大小及波形．分析结果有助于对电机进行性能分析及优化设计。
关键词：A PD L；永磁同步发电机；齿磁通；绕组电压T he El ect r om agnet i c Fi el d A nal ysi s of Pe r m a nent M agnet Synchr onousG ener at or B ased on A N SY S Secondar y D evel opm e ntW ang Li h ua(N anchang U ni v er s i t y，N anch ang330031)A bs t r act Th i s pap er com pi l es pr ogr am s by t he A P D L l ang uage of A N SY S s of t w a r e，de si gnsvi si bl e i nt er f ac e，cal l bl ocked s ubpr o gr am by m ai n pr og r am and r e al i z e t he w hol e process of t he el e ct r i c al m a c hi ne’S a ut o—r ot at e，a ut o-m es h，a ut o-l oad and SO on，w hi ch iS con veni ent and ef f i c i ent．A t t he s am e t i m e，t he val ue and w a ve f or m of w i ndi ng m agnet i c f l u x l i nka ge and vol t a ge ar e obt ai ned by dea l i ng w i t h t he ca l c ul at i on r esu l t of t he el ect rom ag net i c f i el d．T he r e sul t s of s i m ul at i on is he l pful t o anal yze and des i gn per m a nent m ag net el e ct r i c al m a chi ne．K ey w or ds：A P D L『；P M Synchr onous G enerat or．t o ot h m agn et f l ux：w i ndi ng vol t a ge1引言对于一个简单模型来说，采用G U I(人机交互)操作方式可以很便捷地完成分析。
Ansys Workbench在电机温度场分析的实际运用发布时间：2022-09-08T05:17:38.048Z 来源：《科学与技术》2022年第9期第5月作者：王刚郑玉鑫[导读] 温升高是电机最为主要的故障原因，而电机的种类很多，不同种类有着多种多样冷却方式王刚、郑玉鑫东方电气（德阳）电动机技术有限公司中国.德阳618000摘要：温升高是电机最为主要的故障原因，而电机的种类很多，不同种类有着多种多样冷却方式，因此，电机的温度分析较为复杂，传统方法是以热负荷作为基准根据试验结果类比电机的设计温升，对于一些特殊结构的电机，热负荷类比法就不能满足设计需要。
采用Ansys Workbench仿真软件通过FEA有限元分析（Finite Element Analysis），可以对特殊结构电机定转子热源分布、以及传导、对流、辐射等要素进行网格化分析。
本文以具体案例的设计分析过程，论述Ansys Workbench稳态温度场在电机设计中的实际运用。
关键词：温升电机温度场有限元 Ansys1 引言我们以一台低压变频异步电动机YVF400-6-315KW、380V、50HZ为研究对象，对其定转子温度场进行仿真分析，对比求解结果与最后型式试验的偏差，从而验证Ansys Workbench仿真软件在特殊电机设计的实际运用。
6.3与型式试验温升值对比采用叠频法，对变频异步电动机YVF400-6-315KW进行温升试验，在额定电流588A工况下，运行4个小时后，定子温度基本稳定，PT100测温元件显示的结果是127度，减去环境温度32度，实际温升95K,与仿真的结果基本接近。
7、结论这次的仿真温度场分析，只考虑了机座表面的辐射散热，暂未考虑机座表面空气的对流影响，因此仿真的温度结果有所偏高，但是，作为电机温度计算的手段之一，能够在传统设计方法基础上，增添一种参考和补充。
参考文献：《Ansys Workbench完全自学一本通》许进峰著，电子工业出版社。
永磁电机三维温度场计算与分析杨明国;张松【摘要】本文以某型永磁电机为例，建立永磁电机的三维周期对称模型，采用有限体积法，对其在额定功率下的温度场进行了计算。
通过温度场数值计算结果与实测数据对比，验证了所建模型的合理性，为该种永磁电机发热的仿真计算提供了参考依据。
%Based on one permanent magnet motor, a 3D, periodical and symmetrical model is established, where the temperature field under rated power using the FVM (finite volume method) is calculated. By comparison the numerical s,imulation with measurement results, it proves that the established temperature flied model is reasonable, which is a good reference to the temperature field calculation this kind motor【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)012【总页数】4页(P8-10,14)【关键词】永磁电机;温度场;流体场;CHT【作者】杨明国;张松【作者单位】海军驻七一二研究所军代室,武汉460064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言温升是考核永磁电机的一个重要指标[1]。
永磁电机结构复杂，其温度场的准确计算很大程度上取决于冷却系统内冷却介质的流动情况。
目前大多数文献都是采用有限元法，将冷却系统内冷却介质温度场的影响转换为对流换热系数，将其作为边界条件加载到电机温度场计算中[2,4]。
基于ANSYS的磁保持电磁继电器温度场分析朱艺青【摘要】本文通过ANSYS workbench软件对继电器的温度场进行仿真分析,研究了继电器各种工作状态下的发热,确保继电器的温升满足设计要求;通过产品温升测试结果验证了仿真结果.【期刊名称】《机电元件》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】6页(P47-52)【关键词】磁保持电磁继电器;温度场;ANSYS【作者】朱艺青【作者单位】厦门宏发电声股份有限公司,福建厦门,361021【正文语种】中文【中图分类】TN784继电器工作时，必须给输入端通电(线圈通电)，输出端才能接通负载(簧片和触点载流)。
由于电流流经载体会产生能量损耗，继电器的接触系统和磁路系统均会发热。
继电器如果长期工作在超过限制的高温下，继电器所使用的材料会发生老化、绝缘性能下降等，可能导致继电器发生失效等不良现象。
为了保证继电器能够可靠的工作，必须研究继电器发热的热能造成的温升情况，保证继电器的温升不会超过规定的上限。
由于继电器各部分的发热和散热是一个非常复杂的过程，有很多的影响因素，并且继电器内部结构较为复杂，很难通过数值计算法来进行准确的计算，只能根据一些经验数据进行近似计算。
继电器内部的发热源主要有线圈电流流过漆包线的能量损耗和负载电流流过接触系统的能量损耗。
线圈部分一般都是直流电压供电，因此线圈的发热可以直接采用焦耳定律来计算，如式1所示。
接触系统的发热计算时，除了计算簧片和触点的体电阻外，触点间的接触电阻产生的热量更大。
另外，负载电流一般为交流电，流经簧片和触点时会因集肤效应和邻近效应产生附加损耗，需要在焦耳损耗上乘与附加损耗系数。
由于簧片的形状并不是规则的，所以需要采用一些经验数据来确定附加损耗系数。
继电器产生的热能除了加热继电器外，还有一部分主要通过热传导、热对流和热辐射的途径散失到周围介质中。
热传导是指继电器各个零部件之间的热传递过程。
热对流是继电器内部存在的气体，由于继电器内部的温度差，产生气体的自然对流和热传导现象。
基于ANSYS新型电机设计工具包的永磁同步电机效率仿真永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种具有高效率、高功率密度和高可控性的电机。
在电动汽车、风力发电和工业领域中，PMSM的应用越来越广泛。
为了满足设计要求并提高效率，减少能源消耗，对PMSM进行效率仿真和优化是非常重要的。
ANSYS是一款广泛应用于工程仿真领域的软件，其中包含了电磁场仿真模块（ANSYS Maxwell）和多物理场耦合仿真模块（ANSYS Multiphysics）。
通过这些模块，可以对PMSM进行高精度的效率仿真。
首先，进行PMSM的电磁场仿真。
使用ANSYS Maxwell模块的电磁场分析功能，可以建立PMSM的几何模型，并设置永磁体的大小、形状和材料等参数。
然后，在模块中设置电机的输入条件，如定子绕组的电流、电压和频率。
通过求解电机的磁场方程，可以得到各部分的磁场分布、磁力线等信息。
接下来，进行PMSM的电磁 - 机械耦合仿真。
ANSYS Multiphysics模块可以将电磁场仿真结果与机械场仿真相耦合，并进一步分析电机的转矩输出和转速特性。
可以设置电机的机械参数，如转子、定子的质量、惯量等，并设置电机的机械负载条件。
通过输入电机的电流和机械负载信息，求解电机的机械方程，可以得到电机的转矩输出和转速特性。
最后，进行PMSM的效率仿真和优化。
通过分析电机的电磁场和机械场仿真结果，可以计算电机的输出功率、输入功率和效率。
利用ANSYS的优化功能，可以调整电机的各项参数，如永磁体的形状、定子绕组的设计、空气隙的大小等，以提高电机的效率。
通过多个迭代循环，进一步优化电机的性能，得到一个最佳的设计结果。
通过ANSYS新型电机设计工具包进行PMSM的效率仿真和优化，可以大大缩短设计周期和降低成本。
同时，将仿真结果与实际测试数据进行比对，可以验证仿真模型的准确性，并进一步优化电机设计。
基于ANSYS的复合式磁阻电机温度场分析
夏凡;靳峰雷
【期刊名称】《机电信息》
【年(卷),期】2024()8
【摘要】复合式磁阻电机用于某核电厂控制棒驱动机构,要求该电机具有较高的可靠性和较长的寿命。
对电机最严酷运行工况下的发热及其分布进行分析,计算出了电机损耗。
利用SolidWorks软件建立电机简化模型,基于ANSYS软件进行电机的温度场分析,得出计算结果:在最严酷运行工况下,主轴电机定子线圈最高温度为114℃,温升64 K,满足温升限值80 K的要求。
为验证温度场分析的正确性,对试验样机进行温升试验,主轴电机温升值为60.3 K,与温升计算结果较为接近,该分析和试验结果为复合式磁阻电机的设计提供了支撑,初步预判了电机运行的可靠性和安全性。
【总页数】5页(P62-66)
【作者】夏凡;靳峰雷
【作者单位】中国原子能科学研究院核工程设计研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
【相关文献】
1.基于ANSYS Workbench的开关磁阻电机定子振动分析
2.基于ANSYS Workbench的高速开关磁阻电机转子的动态仿真分析
3.基于ANSYS的开关磁阻
电机温度场分析4.基于ANSYS的开关磁阻电机定子振动模态分析5.基于ANSYS 的开关磁阻电机静态电磁分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ANSYS软件的永磁电机温度场仿真分析颜文悦【摘要】应用有限元分析软件ANSYS来模拟仿真永磁电机在工作过程中达到稳态时的各个部件温度分布情况.结合对仿真云图的分析,提出简化计算的方法并加以利用,为优化永磁电机的设计、改善温度分布、提高性能、延长使用寿命等提供参考.【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(030)004【总页数】4页(P393-396)【关键词】永磁电机;温度分布;ANSYS有限元分析【作者】颜文悦【作者单位】宁德师范学院数理学院,福建宁德352100【正文语种】中文【中图分类】TM351近年来，随着工业科技的飞速发展，永磁电机大量的应用到人们的生产生活中.由于电机制造工艺及技术的进步、工业生产规模的扩大对电机功率要求提升，同时对电机的工作负载的要求也越来越大.与此同时，原本在电机运行过程中并不突显的电机发热问题也越来越引起了人们的重视.如何在不降低电机功率的同时能行之有效地控制电机的温度上升，从而防止电机由于发热较快、散热较慢而导致配件加速老化、电机使用寿命降低的问题，成为研究人员关注的焦点[1].本文利用ANSYS有限元分析软件，采用有限元分析方法，对永磁电机运行过程中达到稳态时的温度分布情况进行仿真计算.从而找出永磁电机工作达到稳定状态时的温度分布规律，为优化电机温度控制设计、提升其性能等方面提供参考[2].1 有限元分析法有限元法是目前国内外在工程上多种数值模拟计算方法的流行方法，其主要特点是可以较好地应用于一些形状相对比较复杂的组合物体的计算上，并且可以根据不同部位的不同需求进行粗算和精算的选择.在尺寸较大且对计算精度要求不高的部位可以采用粗算的方法，而在尺寸精细或是对计算精度要求较高的部位采用精算的方法.这样既可以满足计算的效率，又基本不影响计算的结果.因此，目前该方法已被广泛地应用在工程计算方面[3].文中在有限元计算方面采用了ANSYS软件进行仿真分析，对永磁电机的温度场进行计算模拟仿真，进而分析温度的变化情况，找出高温发热部分，有针对性地对电机的温度进行优化设计[4].2 永磁电机的边界条件分析利用有限元分析法进行解算永磁电机的温度场，必须对电机的各个部分施加正确的边界条件，对边界条件的讨论如下：1）各部件温度边界条件的计算公式[5]：式中：Tc为边界面S1上的加载温度；f（x，y，z，t）为已知温度关于空间坐标的函数；S1为电机的边界.2）电机运行时产生的热载荷边界条件[6]：式中：热量q0为面S2上的边界热载荷输入；g（x，y，z，t）为已知热载荷关于空间坐标的函数；λ为垂直电机分界面的导热系数.3）电机内部各部件之间的热交换边界条件[6]：式中：α为面S3的换热系数（进行热交换的系数）；T0为周围介质的固定温度；二者一般可以视为常数.本文对XYT132S型5.5 kW四磁极的永磁电机进行分析研究，可通过上述公式计算出边界条件为：电机气隙边界的换热情况：电机定子与样机外壳表面的换热情况：通过计算，可以得到电机各处的生热率为：1）绕组处生热率（铜耗）：QCus=1.21×104W m3，2）定子处生热率（铁耗）：QFeY=4.27×105W m3.3 有限元计算的过程及仿真结果利用有限元分析的方法对永磁电机进行分析，分析过程如图1所示[7].1）建模.选用温度场的稳态热分析模块进行建模，进入前处理功能.2）利用ANSYS软件建立电机的三维几何模型，如图2所示.3）输入材料属性参数.在建立的电机模型下，对模型的各个部分按其材料属性的不同，逐个进行各个模型部件的热传导率设定，在设定完成之后同时更新工作模块. 4）网格剖分.根据电机模型的尺寸对其进行网格的划分.为了兼顾最终温度计算的精度和解算过程中的运算量，可在温度变化较明显的的定子位置和绕组位置进行网格细分；而在离发热部位较远且温度变化相对缓慢的转子部分进行精度略低于定子和绕组位置的划分，从而减少网格数目和节点数目[8].网格剖分结果如图3所示.图1 有限元分析过程图图2 永磁电机模型图图3 永磁电机网格剖分图5）加载边界条件和初始条件.首先必须对永磁电机模型进行自由度的约束，也就是温度的自由度约束；然后定义整台电机工作初始时的环境温度值（本文模拟的环境温度为22℃）；最后对发热部件添加热载荷（即生热率），此时排除次要因素，以电机的铜耗和铁耗作为电机的主要发热原因.6）求解（后处理）.通过后处理器对电机模型的温度进行解算，得出仿真云图如图4所示，以及电机几个重要部位的温度云图[9]，如图5～7所示.图4 永磁电机温度云图图5 永磁电机绕组温度云图图6 永磁电机转子温度云图图7 永磁电机定子温度云图从图4的仿真云图可以看出，永磁电机发热较高的部分出现在云图上最亮的部件，也就图5所示的绕组部件，通过理论分析也可得出此处为永磁电机铜耗产生的部分，故而温度处于整台电机的最高.而定子处由于占有大量的铁耗，因此温度也是相对高的.永磁电机内部的转子部分虽然本身几乎没有发热因素（忽略掉转动摩擦产生的热量），但是因为绕组和定子的热传递以及自身的散热问题等因素，仍然具有略低于绕组和定子的温度分布.且通过图4～7的几个温度云图的分析可以发现，永磁电机的温度场分布情况基本符合对称分布.4 结论从仿真温度分布云图的结果来看，永磁电机的温度分布以绕组处最高，定子处次之，而转子和转轴处的温度较低.若要对永磁电机进行温度的优化控制，首先需要从绕组方面入手，在不影响电机功率输出的前提下，即不降低运行电流的情况下，选用生热率低的材料替代原有的材料，降低电机在运行过程中产生的铜耗；其次可以从气隙和定子入手，在不影响电机运转所需要的磁场强度情况，寻求气隙磁通密度脉动较小的情况来降低两个部分的铁耗.通过以上析可以得出，此两个部分的温度优化能有效在电机运行过程中控制电机的温度，从而提高电机的使用寿命.参考文献：【相关文献】[1]高彦骋,刘卫国.基于Ansys的11 kW无刷直流电动机温度场分析 [J].微电机,2008,41（9）：13-15.[2]李伟力,松开,付敏,等.用三维有限元法计算大中型异步电动机定子三维温度场[J].黑龙江大学自然科学学报,1999,24（2）：33-36.[3]张朝晖,范群波,贵大勇,等.ANSYS 8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版社,2005：12-13.[4]魏永田,孟大伟.电机内热交换 [M].北京：机械工业出版社,1998：253-259.[5]杨菲.永磁电机温升计算及冷却系统设计 [D].沈阳：沈阳工业大学,2007.[6]张明慧,刘卫国.无刷直流电动机瞬态电磁-温度耦合场分析 [J].微特电机,2010,38（8）：22-24.[7]唐兴伦,范群波.ANSYS工程应用教程 [M].北京：中国铁道出版社,2003：187-193.[8]王旭红,汪建平.永磁同步电机的研制及优化 [J].湘潭大学自然科学学报,2002,24（3）：96-99.[9]王磊,苏畅.永磁电机温度场分析基础 [J].牡丹江师范学院学报(自然科学版),2014,87（2）：18-20.。
ANSYS在永磁电机设计中的应用近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，稀土永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。
永磁电机采用永磁体励磁，电机内部的电磁场分布较为复杂，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差，为保证计算的准确，一般采用有限元法对电机内部电磁场进行数值计算。
应用有限元法进行数值分析，需对有限元法熟炼掌握，编制计算程序，工作繁锁且精度不高，后处理能力有限。
ANSYS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，该软件融结构、热、电磁、流体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具有极为强大的前、后处理功能。
在使用上，使用者只需输入所要计算的问题，便可获得结果，并可对结果进行进一步的开发使用，而不需要了解求解的详细过程，更不需要掌握有关技巧和编制任何程序，极大地方便了使用，节省了时间和精力。
具体到电机设计上，无论任何结构、任何形式的永磁电机，只要将其模型输入ANSYS就可进行求解，通过后处理得到磁密分布、磁场分布、磁场强度分布、电磁力分布及转矩分布的彩色云图和单元列表，非常直观明了并且计算精度很高。
本文通过对某海上设备用高速永磁同步发电机的设计，较为详细地说明了用ANSYS进行电机内电磁场分析的具体过程，并给出了样机测试结果。
2 永磁同步发电机的性能指标和基本结构该稀土永磁发电机经变流设备带动一组脉冲负载，要求电机输出两组三组电压±33V（相电压），功率为2kW，电压变化率为±2%，电机转速为24000r／min，体积和重量要求极为严格。
电机采用R2Co17（钐钴2：17）永磁体，转子采用6对极瓦片式结构，外加不锈钢紧固套，定子采用36槽结构，定子绕组输出频率为2000Hz。
3 用ANSYS进行电机电磁场分析本文采用ANSYS5．6版本的Multiphysics模块进行电机电磁场分析，可分为三个阶段：前处理、运行计算和后处理。
基于ANSYS的永磁驱动电机热建模与仿真马长军;高剑;刘波;张文娟;盖江涛【摘要】永磁同步电动机以其高效、高功率密度等优点在车辆电驱动领域具有极大的优势.高功率密度意味着电机具有高电磁负荷和高温升的特性,加之车辆散热条件恶劣,因此电机的热分析与计算是电机设计的关键.本文以某特种车辆驱动用350 kW永磁电机为例,对该电机进行热建模与仿真分析,模拟出电机正常运行时内部温度场的分布情况,得出电机温度分布云图等,为电机的设计提供可靠依据.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)010【总页数】5页(P9-13)【关键词】永磁同步电机;热模型;仿真【作者】马长军;高剑;刘波;张文娟;盖江涛【作者单位】中国北方车辆研究所,北京100062;湖南大学,湖南长沙410082;湖南大学,湖南长沙410082;长沙学院,湖南410002;中国北方车辆研究所,北京100062【正文语种】中文【中图分类】TP311近年来电力驱动技术在车辆传动领域得到广泛的应用，驱动电机作为电传动系统的核心部件，要求具有效率高、调速范围宽、过载能力强、结构紧凑等特点，永磁同步电动机以其高效、高功率密度等优点在车辆电驱动领域具有极大的优势。
为了达到车辆电传动功率密度的要求，驱动电机的电磁负荷往往设计的很高，而且电机运行环境温度较高、通风散热效果差、冷却介质温度高，因此准确的电机热分析与计算是高功率密度电驱动永磁电机方案设计的关键[1-2]。
传统的基于等效热阻的电机温升计算方法虽然过程简单、效率高，但难以满足电磁场、流体场和温度场高度耦合的永磁驱动电机的温升准确计算的要求。
本文以350 kW永磁驱动电机为对象，利用ANSYS软件进行电机损耗分析、三维热建模与温升的仿真，为高功率密度电机温升分析与计算奠定基础。
1.1电磁设计根据性能及尺寸要求，永磁驱动电机的主要性能和电磁设计数据如表1和表2所示。
1.2损耗分析与计算1.2.1损耗计算原理电机发热的根本原因是电机的各种损耗，它们构成了电机温度场计算的热源，电机的损耗主要可以分为：铁耗、铜耗、永磁体涡流损耗和机械损耗[3-4]。
