实验二 利用Maxwell 2D电磁场分析软件对静磁场进行分析

第一作者简介:王庆东(１９９５ )ꎬ男ꎬ安徽六安人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为智能机电系统ꎮＤＯＩ:１０.１９３４４/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７１－５２７６.２０２２.０１.０３２基于ＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌ的电磁式磁滞张力器仿真分析王庆东ꎬ夏港东ꎬ秦浩杰ꎬ周文聪ꎬ张昊(南京航空航天大学机电学院ꎬ江苏南京２１００１６)摘㊀要:介绍一种磁滞张力器的结构和工作原理ꎬ借助ＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌ软件的静态㊁瞬态场求解器对张力器的磁场分布进行了数值计算ꎬ得到了张力器内部的磁力线走向以及转子表面的磁感应强度分布云图ꎬ研究了电流㊁磁极相对角度㊁气隙等参数对磁滞转矩大小的影响ꎮ遵循单一变量原则ꎬ得出各影响因素在各自变化范围内的最优解ꎬ为后续对该类型张力器的设计制造与升级优化提供了依据ꎮ关键词:电磁式ꎻ张力ꎻ磁滞转矩ꎻ仿真中图分类号:ＴＳ１０３.８㊀㊀文献标志码:Ｂ㊀㊀文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０１￣０１２４￣０４ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＨｙｓｔｅｒｅｓｉｓＴｅｎｓｉｏｎｅｒＢａｓｅｄｏｎＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌＷＡＮＧＱｉｎｇｄｏｎｇꎬＸＩＡＧａｎｇｄｏｎｇꎬＱＩＮＨａｏｊｉｅꎬＺＨＯＵＷｅｎｃｏｎｇꎬＺＨＡＮＧＨａｏ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｅｎｓｉｏｎｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ＴｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｎｓｉｏｎｅｒꎬｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｉｅｌｄｓｏｌｖｅｒｏｆＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌｓｏｆｔｗａｒｅꎬｉｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｔｒｅｎｄｉｎｔｅｎｓｉｏｎｅｒａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｏｎｒｏｔｏｒｓｕｒｆａｃｅｉｓａｂｔａｉｎｅｄ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｕｒｒｅｎｔꎬｍａｇｎｅｔｉｃｐｏｌｅｒｅｌａｔｉｖｅａｎｇｌｅꎬａｉｒｇａｐａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｖｅｒｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｏｒｑｕｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄ.Ｂｙｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｓｉｎｇｌｅｖａｒｉａｂｌｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇꎬｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｎｓｉｏｎｅｒｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｔｙｐｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃꎻｔｅｎｓｉｏｎꎻｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｏｒｑｕｅꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀引言在纺织加工过程中ꎬ纱线张力是一个十分重要的参数ꎬ从纺纱到织造的各个工序ꎬ张力的大小和稳定直接关系到产品质量㊁生产效率以及后续加工的顺利进行[１]ꎮ因此ꎬ纱线张力器成为控制纱线张力必不可少的装置ꎮ目前市售的纱线张力器以机械式为主ꎬ常见的有空气阻尼式以及油阻尼式ꎬ如图１所示[２]ꎮ相比较而言ꎬ传统的机械式纱线张力器往往具有结构简单㊁维修和操作方便等诸多优点ꎬ然而其缺点也尤为明显ꎬ如:１)张力控制精度低ꎬ一致性差ꎻ２)张力器工作过程中始终与纱线产生摩擦ꎬ容易损伤纱线ꎻ３)自动化程度低ꎬ无法由计算机进行控制ꎮ为满足纺织行业不断提高的标准要求ꎬ纱线张力器逐渐朝着自动化㊁智能化方向发展ꎮ近年来国外出现了一种高档纺织机械 电磁式磁滞纱线张力器[３－５]ꎮ相较于传统机械式张力器而言ꎬ该张力器的最大特点是可以通过计算机对纱线张力进行实时的㊁连续的调节ꎮ由于采用计算机进行控制ꎬ既可以灵活地对单根纱线的张力进行控制ꎬ也可以实现大范围的群控[６]ꎮ此外ꎬ该张力器还可以连接到非接触式张力监测系统ꎬ从而实现对纱线张力的闭环控制ꎬ因而具有广阔的应用前景[７]ꎮ本文立足于国内外相关理论研究成果ꎬ借助有限元分析方法对该类型张力器的特性进行研究ꎬ为其日后在国内市场的广泛应用奠定了基础ꎮ(a) /!K (b) !K图１㊀常见纱线张力器１㊀电磁式磁滞张力器的结构及原理电磁式磁滞张力器是基于电磁阻尼原理实现对纱线张力控制的[８]ꎬ其结构如图２所示ꎮ外部静壳体８将整个结构包裹在内ꎬ形成封闭的磁回路并同时隔绝外部磁场的干扰ꎮ磁芯５由具有高磁导率的软磁材料制成ꎬ聚集内部的磁场能量ꎮ转轴７在滚珠轴承３的支撑下ꎬ一端与抱线轮１固连ꎬ另一端通过法兰与转子６连接ꎮ励磁线圈４均４２１ 博看网 . All Rights Reserved.匀缠绕在线圈架上并将磁芯５包含在内侧ꎮ张力器工作时ꎬ线圈４通电ꎬ抱线轮在纱线的主动牵引下转动ꎮ另一端ꎬ由磁滞材料制成的转子６作为耗能元件被动旋转ꎬ消耗磁场能量ꎬ产生阻碍纱线运动的磁滞转矩ꎬ使纱线受到张力作用[９]ꎮ调整线圈４两端电压的大小即可改变磁滞转矩ꎬ实现对纱线张力大小的调节ꎮ线圈未通电时ꎬ转子在磁芯５间自由旋转ꎬ其阻力仅来源于轴承３处的摩擦力ꎮ128-1657843213-13-276548-2１ 抱线轮ꎻ２ 磁芯①ꎻ３ 轴承ꎻ４ 线圈ꎻ５ 磁芯②ꎻ６ 转子ꎻ７ 轴ꎻ８ 外壳ꎮ图２㊀电磁式磁滞张力器结构图该张力器的具体性能要求如表１所示ꎮ表１㊀张力器的性能要求名称具体参数输出力矩/(ｍＮ ｍ)１０~３０范围内线性可调力矩性质力矩恒定工作转速/(ｒ/ｍｉｎ)１０００２㊀仿真模型的建立分析电磁场问题时传统的方法是从模型中抽象出一个等效的磁路ꎬ再采用解析的方法分析其磁场ꎮ由于电磁式磁滞张力器的磁路较为复杂ꎬ这使得利用解析法研究其磁场较为困难[１０]ꎬ而有限元法的广泛应用为解决该类问题提供了极大的便利ꎮ本文以课题组研制的一款电磁式磁滞张力器为例ꎬ利用Ｍａｘｗｅｌｌ软件对该张力器进行仿真分析[１１]ꎮ由于张力器的结构不具有空间对称性ꎬ无法将三维磁场计算问题转化为二维来处理ꎬ因而需要建立完整的三维有限元模型[１２]ꎮ此外ꎬ为降低问题分析的复杂性ꎬ作出以下假设[１３－１４]ꎮ１)忽略转子的涡流效应和软磁材料(定子磁芯及外壳)的磁滞损耗ꎻ２)转子的转速保持不变ꎻ３)励磁绕组由空心圆柱体等效替代ꎬ绕组内部电流密度分布均匀ꎮ张力器的主要参数如表２所示ꎬ相关参数定义如图３所示ꎮ定子磁芯及外壳均选择具有高磁导率的电工纯铁ＤＴ４ꎬ励磁线圈定义为铜材料ｃｏｐｐｅｒꎬ选择ＦｅＣｒＣｏ材料作为转子材料并在软件内部将其定义为磁滞型材料ꎮ软件内部自带的材料库中并不包含ＤＴ４和ＦｅＣｒＣｏ材料ꎬ需要从外界导入两种材料的Ｂ－Ｈ曲线ꎮ由于忽略了涡流效应的影响ꎬ两种材料的电导率均设为０ꎮ线圈绕组安匝数设为３４２Ａꎬ指定求解域属性为空气ꎮ在瞬态场分析模块中ꎬ还需要额外定义运动区域ｂａｎｄꎬ将转子包含在内ꎬ并设置其绕ｚ轴转速为１０００ｒ/ｍｉｎꎮ此外ꎬ设置仿真时长为２０ｍｓꎬ计算步长为０.２ｍｓꎮ表２㊀张力器的主要参数转子外径Ｒ２/ｍｍ转子内径Ｒ１/ｍｍ转子厚度Δ/ｍｍ气隙大小Ｌｇ/ｍｍ磁极高度Ｈ/ｍｍ磁极角度α/(ʎ)磁极个数ｐ１５.７５４１.４０.４１.７７８HL gΔL gαR 1R 2D图３㊀相关参数定义３㊀仿真结果借助Ｍａｘｗｅｌｌ软件的静态磁场求解器ꎬ通过数值计算ꎬ得到了张力器内部磁感应强度分布ꎬ如图４所示ꎮ从图中可以看出ꎬ磁力线主要集中在张力器内部的磁性材料上ꎬ并依次穿过定子磁极㊁气隙㊁转子最终汇聚于张力器外壳ꎬ形成一个封闭的内部磁回路ꎮ图５为转子表面磁感应强度分布云图ꎮB [tesla]1.200 01.120 01.040 00.960 00.880 00.800 00.720 00.640 00.560 00.480 00.400 00.320 00.240 00.160 00.080 00.000 0图４㊀张力器磁感应强度分布及磁力线走向1.411 61.320 01.228 41.136 81.045 20.953 60.862 00.770 40.678 70.587 10.495 50.403 90.312 30.220 70.129 10.037 5B [tesla]图５㊀转子表面的磁感应强度分布云图图６所示为磁滞张力器的转矩输出曲线ꎮ从图中可５２１ 博看网 . All Rights Reserved.以看出ꎬ输出转矩在初始时刻有轻微震动ꎬ随着时间的推移ꎬ磁滞转矩的数值波动减小ꎬ趋于稳定ꎬ并最终稳定在３２ｍＮ ｍK /ms-$D -/(m N ·m )图６㊀磁滞转矩随时间变化曲线３.１㊀气隙对磁滞转矩的影响保持表１中其他参数不变ꎬ仅改变气隙大小ꎬ得到图７所示磁滞转矩与气隙的关系曲线ꎮ从图中可以看出ꎬ随着气隙的增加ꎬ磁滞转矩急剧减小ꎮ由图２可知ꎬ张力器的磁传导回路主要包含定子磁芯㊁气隙㊁转子以及外壳ꎮ而定㊁转子以及外壳都是由磁性材料制成的ꎬ其相对磁导率要远高于空气磁导率ꎬ故而磁场能量主要损失于气隙中ꎮ因此ꎬ在磁动势大小一定的情况下ꎬ磁回路中的气隙越大ꎬ其中的磁场能量损失也就越大ꎬ转子的磁通密度也必然减小ꎬ从而导致磁滞转矩减小ꎮ因此ꎬ理论上减小气隙可以提高磁滞转矩ꎬ但过小的气隙会对机械加工和装配提出更高的精度要求ꎬ使得零件的加工难度加大ꎬ特别是对转子的加工精度要求更高[１５]ꎮ故而需要综合考虑各方面因素ꎬ选择合适的气隙大小ꎮ-$D -/(m N ·m )!K /mm图７㊀气隙对磁滞转矩的影响３.２㊀电流对磁滞转矩的影响电流的大小是影响电磁式张力器磁滞转矩大小的重要因素ꎮ张力器工作时ꎬ需要根据实际需要将电流设定在特定的数值ꎮ基于表１中的结构参数在不同气隙大小下进行计算ꎬ得到了如图８所示的关系曲线图ꎮ从图中可以得出ꎬ在不同气隙大小下磁滞转矩随电流变化规律基本保持一致ꎮ当电流较小时磁滞转矩增加缓慢ꎬ而随着电流的不断增加ꎬ磁滞转矩显著增大并与电流近似维持着线性关系ꎮ当电流超过一定范围后ꎬ磁滞转矩的增加幅度趋于平缓ꎬ其原因在于随着电流的增加ꎬ磁性材料的磁感应强度也趋于饱和ꎬ不再随着电流的增大而增大ꎬ增加的电流对转矩的影响很小ꎮ从图中可以看出ꎬ电流在３０~７０ｍＡ范围内ꎬ磁滞转矩与电流之间有着良好的线性关系ꎬ磁滞转矩可以达到４０ｍＮ ｍꎬ符合设计要求ꎮ-$D -/(m N ·m )*"/mA图８㊀磁滞转矩与电流关系图３.３㊀磁极相对角度对磁滞转矩的影响张力器的定子磁芯由两部分组成ꎬ且分别置于转子两侧ꎬ如图２所示ꎮ两定子磁芯的端面均有若干齿形磁极ꎬ张力器装配时ꎬ两齿形磁极之间一般错开一定角度ꎬ磁极间相对错开角度α定义如图３所示ꎮ保持表１其他参数不变ꎬ在多组气隙下对张力器在不同磁极相对角度下进行仿真计算ꎬ可以得到磁极相对角度与磁滞转矩的关系ꎬ如图９所示ꎮ-D>/(°)-$D -/(m N ·m )图９㊀磁极相对角度对磁滞转矩的影响定子磁极端面的齿形磁极沿周向等距排列ꎬ磁极个数为８时ꎬ相邻两磁极间的相对角度θ＝４５ʎꎮ图９中ꎬ在角度α<θ/２时ꎬ磁滞转矩随着相对角度的增加而不断增大ꎬ而当α>θ/２时ꎬ磁滞转矩逐渐减小ꎮ在α＝４５ʎ时ꎬ两磁极重合ꎬ其磁滞转矩大小与起始位置相等ꎮ转子表面的磁密Ｂ可以分解成径向Ｂｎ和切向Ｂτ两部分ꎬ而Ｂτ是影响磁滞转矩大小的主要因素ꎮ在一定范围内ꎬα增大ꎬ切向磁密Ｂτ也随之增大ꎬ而超过一定范围后Ｂτ反而减小ꎮ因此出现了图９所示的关系曲线ꎮ６２１ 博看网 . All Rights Reserved.３.４㊀转子厚度对磁滞转矩的影响在保证其他参数不变的情况下ꎬ随着转子厚度的增加ꎬ气隙逐渐减小ꎬ这就使得转子磁感应强度增大ꎬ磁滞转矩也随之增大ꎬ如图１０所示ꎮ然而ꎬ随着转子厚度的不断增大ꎬ磁阻和漏磁也在增加ꎬ在厚度超过一定范围以后ꎬ转子中增加的磁势反而消耗在转子内部的损耗上ꎬ对磁滞转矩的影响降低ꎮ-$D -/(m N ·m )D /mm图１０㊀转子厚度对磁滞转矩的影响３.５㊀磁极个数对磁滞转矩的影响改变磁极个数并在多组气隙大小进行数值计算ꎬ得到了图１１所示的关系曲线ꎮ磁极个数较少时ꎬ转子的磁通密度低ꎬ从而产生的磁滞转矩也较小ꎮ随着磁极个数的增加ꎬ磁滞转矩迅速增大ꎮ然而ꎬ磁极个数增加时ꎬ各个磁极的漏磁也随之增加ꎬ超过一定范围后ꎬ磁滞转矩反而随着磁极数目的增加而减小ꎮ计算结果表明ꎬ在磁极个数为１０--$D - N /·N图１１㊀磁极个数对磁滞转矩的影响４㊀结语由以上仿真结果表明:１)电流是影响磁滞转矩大小的关键因素ꎮ磁滞转矩与电流的关系曲线中有一段近似线性的区间ꎬ也是张力器的最佳工作区间ꎬ且满足在１０~３０ｍＮ ｍ范围内线性可调的设计要求ꎮ㊀㊀２)气隙大小的选择关系到张力器的最终性能ꎮ同时ꎬ过小的间隙也会对零部件加工精度和装配提出更高的要求ꎮ因此ꎬ需要综合考量这两方面的要求ꎬ选择大小合适的空气间隙ꎮ３)磁极的相对角度和磁极个数是影响磁滞转矩另一重要因素ꎮ计算结果表明ꎬ在相对角度α＝２２.５ʎ㊁磁极个数ｐ＝１０时输出转矩接近６０ｍＮ ｍꎬ极大地拓宽了张力器的线性可调范围ꎮ４)转子厚度的增加对磁滞转矩有着明显的影响ꎬ但厚度的增加也使得转子的转动惯量增加ꎬ因而在设计时需要额外考虑动力学方面的影响ꎮ电磁式张力器是一种精密纱线张力控制器ꎮ本文借助ＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌ软件研究了不同结构参数对张力器性能的影响ꎬ证明了通过有限元方法研究该类型张力器的可行性ꎬ也为日后的设计制造和升级优化奠定了基础ꎮ参考文献:[１]熊秋元ꎬ高晓平.纱线张力检测与控制技术的研究现状与展望[Ｊ].棉纺织技术ꎬ２０１１ꎬ３９(６):６５￣６８.[２]尹铭泽ꎬ张昊ꎬ缪宇轩ꎬ等.电磁式张力器的结构设计和张力测试[Ｊ].机械制造与自动化ꎬ２０２０ꎬ４９(２):１７８￣１８１ꎬ１８７.[３]石钢ꎬ吕明.磁滞卷绕张力器阻力矩产生机理[Ｊ].轻纺工业与技术ꎬ２０１５ꎬ４４(４):２８￣３２.[４]王红军.卡尔 迈耶:适用于细玻纤长丝的新型纱线张力器[Ｊ].国际纺织导报ꎬ２０１４ꎬ４２(８):３４.[５]贺娟.卡尔 迈耶:ＡｃｃｕＴｅｎｓｅ纱线张力器[Ｊ].国际纺织导报ꎬ２００８ꎬ３６(６):４０￣４２.[６]石钢ꎬ吕明.论纺织工程张力控制技术发展路线图[Ｊ].纺织导报ꎬ２０１１(５):１０５￣１０８.[７]谢正权ꎬ王新厚.非接触式纱线卷绕张力动态检测方法的研究[Ｊ].中国测试ꎬ２００９ꎬ３５(４):１１１￣１１４.[８]曹霞.电磁式纱线张力器原理及动态性能测试分析[Ｊ].纺织机械ꎬ１９９７(６):２４￣２６.[９]ＳＨＩＧꎬＬＶＭꎬＨＵＡＮＧＹＬꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｏｒｑｕｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｙａｒｎｔｅｎｓｉｏｎｅｒ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１２ꎬ３４７/３４８/３４９/３５０/３５１/３５２/３５３:２２￣２６.[１０]林其壬ꎬ赵佑民.磁路设计原理[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ１９８７.[１１]赵博.Ａｎｓｏｆｔ１２在工程电磁场中的应用[Ｍ].北京:中国水利水电出版社ꎬ２０１０.[１２]陈东ꎬ范帅.基于Ｍａｘｗｅｌｌ的盘式制动器辅助电磁制动装置的有限元分析[Ｊ].新技术新工艺ꎬ２０１３(９):３２￣３５.[１３]ＧＡＲＧＡＮＥＥＶＡＧꎬＫＹＵＩＤＫꎬＳＩＰＡＹＬＯＶＡＮＹꎬｅｔａｌ.ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｌｕｔｃｈｅｓｉｎＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌ[Ｃ]//２０１９２０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＹｏｕｎｇＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓｏｎＭｉｃｒｏ/ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ(ＥＤＭ).Ｅｒｌａｇｏｌ(ＡｌｔａｉＲｅｐｕｂｌｉｃ)ꎬＲｕｓｓｉａ:ＩＥＥＥꎬ２０１９:７３１￣７３４.[１４]孔繁余ꎬ王志强ꎬ张洪利ꎬ等.磁力泵磁性联轴器的磁场分析及性能计算[Ｊ].磁性材料及器件ꎬ２００９ꎬ４０(３):２４￣２７ꎬ３１.[１５]郑勐ꎬ李言ꎬ尚军ꎬ等.一种微型精密磁滞张力器的设计开发[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２０１１ꎬ３０(９):１４３１￣１４３４.收稿日期:２０２０１１２７７２１ 博看网 . 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2D班级：电信13（2）班姓名：DENGSIR学号：XXXXXX指导教师：XXXXXX目的和要求：加强对静电场场强、电容、电场能量的理解，应用静电场的边界条件建立模拟的静态电场，解决电容等计算问题；提升学生抽象思维能力、提高利用数学工具解决实际问题的能力。

成果形式：仿真过程分析及结果报告。

用An soft Maxwell软件计算电场强度，并画出电压分布图，计算出单位长度电容，和电场能量，并对仿真结果进行分析、总结。

将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明。

一、电容器描述材料：上下极板为pec介质材料：vacuum区域环境：vacuum（真空）激励：电压源上极板电压：5V下极板电压：0V二、仿真步骤1、建模Project > Insert Maxwell 2D Design File>Save as> 选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic（静电的）创建下极板DrawAssign Material > pec创建上极板DrawAssign Material > pec创建中间的介质六面体DrawAssign Material >vacuum设置完图片如下图：2、设置激励（Assign Excitation）选中上极板Maxwell 2D> Excitations > Assign >Voltage > 5V选中下极板Maxwell 2D> Excitations > Assign >Voltage > 0V3、设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 2D > Parameters > Assign > Matrix > Voltage1, Voltage24、设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 2D > Analysis Setup > Add Solution Setup5、Check & Run6、查看结果Maxwell 2D > Results > Solution data > Matrix显示电容值：36.522计算与分析：平板式电容计算公式：C=εr*S/4πkd式中：电容，单位F；相对介电常数；ε :vacuum 单位F/m；面积S，单位平方米,极板间距d，单位米C=8.854*10^(-12)(20*4+3.14*4)/(4*3.14*8.89*10^9*8*0.001)=31.432电容值：电场能量图：电压分布图：场强分布图：四、心得体会1、这个实验是用利用Maxwell 2D电磁场分析软件对电容器进行分析。

实验二螺线管电磁阀静磁场分析
一．实验目的
1．练习在MAXWELL 2D环境下建立磁场模型，并求解分析磁场分布
2．深入地认识螺线管静磁场的分布
二．实验内容
1．生成项目
其中包括生成项目录，生成螺线管项目，打开新项目与运行MAXWELL 2D。

2．生成螺线管模型
使用MAXWELL 2D求解电磁场问题首先应该选择求解器类型，静磁场的求解选择Magnetostatic，然后在打开的新项目中定义画图平面，建立要求尺寸的螺线管几何模型，螺线管的组成包括Core、Bonnet、Coil、Plugnut、Yoke。

3．指定材料属性
访问材料管理器，指定各个螺线管元件的材料，其中部分元件的材料需要自己生成，根据给定的BH曲线进行定义。

4．建立边界条件和激励源
给背景指定为气球边界条件，给线圈Coil施加电流源。

5．设定求解参数
本实验中除了计算磁场，还需要确定作用在螺线管铁心上的作用力，在求解参数中要注意进行设定
6．设定求解选项
建立几何模型并设定其材料后，进一步设定求解项，在对话框Setup Solution Options名进入求解选项设定对话框，进行设置。

三．实验要求
建立螺线管电磁阀模型后，对其静磁场进行求解分析，观察收敛情况，画各种收敛数据关系曲线，观察统计信息；分析Core受的磁场力，画磁通量等势线，分析Plugnut的材料磁饱和度,画出其BH曲线。

作出实验报告，结合理论分析与计算机求解结果进行比较，验证正确性。

Ansoft在“电机及电力拖动基础”课程教学中的应用作者：雷美珍任佳来源：《中国电力教育》2013年第05期摘要：针对“电机及电力拖动基础”课程的特点和实际教学中存在的问题，提出了引入Ansoft Maxwell软件辅助课堂教学的改革模式。

以三相永磁同步电动机为教学实例，通过Ansoft Maxwell软件对其二维静磁场进行分析。

实践表明，本图形化教学方法不仅形象直观，便于学生理解电机的基本原理以及电磁场知识，而且有助于提高学生的抽象思维能力和创新能力，从而达到提高教学效果的目的。

关键词：Ansoft Maxwell；电磁场；电机及电力拖动基础；仿真作者简介：雷美珍（1980-），女，畲族，浙江杭州人，浙江理工大学自动化系，讲师；任佳（1977-），女，浙江杭州人，浙江理工大学自动化系，副教授。

（浙江杭州 310018）基金项目：本文系2012年浙江理工大学“嵌入式运动控制”系列课程建设项目、“运动控制系统”精品网络课程建设项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0057-02“电机及电力拖动基础”是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课程，主要阐述各类电机的基本结构、工作原理和运行特性。

该课程抽象概念多，涉及电、磁、热、力等综合知识，而且还有较多烦琐的公式推导和计算，特别是电机内的电磁场本身又都是不可见的，这就要求学生不但要具有较好的数学基础，而且还要具备较强的抽象思维能力，这给该课程的教与学带来相当的难度。

[1]在当前课时少、教学内容多、实践环节薄弱的现实下，如何将理论问题实际化、抽象问题形象化，增强学生对电机的直观认识，提高学生的学习兴趣，已成为广大教师普遍关心的问题。

Ansoft Maxwell是美国Ansoft公司的一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件，便于分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。

AnsysMaxwell在⼯程电磁场中的应⽤1——⼆维分析技术学习⾃：《Ansoft12在⼯程电磁场中的应⽤》赵博、张洪亮等编著软件版本：ANSYS2019R3（1.9.7）1.1 界⾯环境左侧为⼯程管理栏，可以管理⼀个⼯程⽂件中的不同部分或管理⼏个⼯程⽂件。

其下⽅为⼯程状态栏，在对某⼀物体或属性操作时，可在此看到操作的信息。

最下⽅并排的是⼯程信息栏，该栏显⽰⼯程⽂件在操作时的⼀些详细信息，例如警告提⽰，错误提⽰，求解完成等信息。

在旁边的⼯程进度栏内主要显⽰的是求解进度，参数化计算进度等，该进度信息通常会⽤进度条表⽰完成的百分⽐。

在屏幕中部是⼯程树栏，在此可以看到模型中的各个部件及材料属性、坐标系统等关键信息，也⽅便⽤户对其进⾏分别管理。

在操作界⾯最右侧较⼤区域为⼯程绘图区，⽤户可以在此绘制所要计算的模型，也可以在此显⽰计算后的场图结果和数据曲线等信息。

如果不⼩⼼将这⼏个区域给关闭了，还可以在 View 菜单栏中将其对应项前的对号勾上，则对应的区域会重新显⽰出来。

部分快捷操作按钮如下：新建 Maxwell 3D ⼯程，新建 Maxwell 2D ⼯程，新建电路⼯程，新建 RMxprt ⼯程。

新建，打开，保存，关闭等。

复制，剪切，粘贴，撤销等。

调整视图：移动、旋转、缩放和全局视图等。

模型绘制常⽤：绘制⾯的按钮，分为矩形⾯、圆⾯、正多边形⾯和椭圆⾯；绘制线的按钮，分为线段、曲线、圆、圆弧和函数曲线。

模型材料快捷按钮。

模型校验和求解。

帮助：最好的培训教材，建议⽤户熟悉该⽂档的结构和相关内容。

1.2 Maxwell 2D 的模型绘制绘制⼆维模型时，可以采⽤快捷按钮绘图，也可以采⽤Draw下拉菜单绘制，两者的效果是相同的。

在绘制 2D 模型时 Z ⽅向上的量可以恒定为 0，仅输⼊ X 和 Y ⽅向上的坐标数据即可。

在三个⽅向上数据栏后有两个下拉菜单，第⼀个为绘制模型时的坐标，默认是采⽤ Absolut 绝对坐标，也可以通过下拉菜单将其更换为相对坐标，则后⼀个操作会认为前⼀个绘图操作的结束点为新相对坐标点起点。

电磁场与电磁兼容-基于Maxwell 2D的实例研讨小组成员：摘要：随着计算机软件技术的发展，越来越多的CAE软件被应用于工业产品的研发中，在这些产品的设计开发过程中发挥着举足轻重的作用。

在电气设备行业，ANSYS公司的ANSOFT MAXWELL软件作为世界知名的商用低频电磁场有限元分析软件已经在业界得到了广泛的应用。

本文所述结合电磁场与电磁兼容课程相关知识，基于Maxwell14.0电磁仿真软件，通过了“尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响”与“研究永磁同步电机静磁场分布”两个研究论题，着重阐述了利用Maxwell14.0进行2D电磁仿真的基本过程以及通过分析电磁场有关问题的基本方法对所研究论题得出一般性结论。

关键词：尖端放电、永磁同步电机、电磁仿真正文：一、尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响【原理解释】强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电，他属于一种电晕放电。

他的原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。

如果物体尖端在暗处或放电特别强烈，这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。

通常情况下，空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。

由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了，空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去原子的电荷带正电，叫做正离子。

（对孤立导体）导体表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关。

在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小，在尖的部位最大。

当电荷密度达到一定的量值后，电荷产生的电场会很大，以至于把空气击穿（电离），空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和，出现放电火花，并能听到放电声。

【尖端放电的应用】尖端放电在我们的生活中应用广泛，例如：如高压线有轮廓的地方，就会出现尖端放电。

由于接到电源上，它一边放电，一边不停的提供放电需要的电荷，这种放电会持续下去。

工程电磁场实验报告实验二利用Maxwell 2D电磁场分析软件对静磁场进行分析班级：学号：姓名：指导老师：一、实验目的1）认识钢涡流效应的损耗，以及减少涡流损耗的方法2）学习涡流损耗的计算方法3）学习用Maxwell 2D计算叠片钢的涡流二、实验内容1）如图所示，模型为四个钢片叠加而成，每一片的界面长和宽分别为12.7mm和0.356mm，两片之间的距离为8.12um，叠片钢的电导率为 2.08e6S/m,相对磁导率为2000，作用在磁钢表面的外磁场Hz=397.77 A/m，即Bz=1T。

2）本实验就采用轴向磁场涡流求解器来计算不同频率下的涡流损耗。

建立相应的几何模型，指定材料属性和边界条件，分析不同频率下的损耗。

由于模型对X、Y轴具有对称性，可以只计算第一象限内的模型。

三、实验原理1、低频涡流损耗的计算公式为：P=t²w²B²δV/24式中V为叠片体积；t为叠片厚度；B为峰值磁通密度；δ为叠片电导率；w 为外加磁场角频率。

Maxwell 2D所获得的功率损耗值是假定叠钢片在Z方向具有单位长度（1m）时而计算出来的。

因此，上式中的体积显然需要按一下就算公式计算V=12.7*1e-3*0.356*1e-3*1=4.5212e-6（m³）公式成立的条件是频率低于2KHz，趋肤深度远小于叠片厚度。

由此计算各个频率下的涡流损耗，见下表：低频数值计算结果2、高频涡流损耗的计算公式为：P=0.5*Ht²【(ωμ/2σ)^1/2】*S式中，S为叠片表面积，Ht为磁场强度切线分量，σ为叠片电导率，u为叠片相对磁导率，ω为外加磁场角频率。

公司成立的条件位频率大于等于10KHz，趋肤深度远远小于叠片厚度。

高频数值计算结果四、计算机仿真由实验结果与理论值比较可以大致看出，在较低频部分用低频计算公式得理论值与仿真值吻合的很好，而高频部分误差较大。

而高频部分用高频计算公式计算时与仿真值也吻合得非常好。

12基于 maxwell 的永磁同步电机静磁场分析实例4.2.1 问题描述三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。

电机定 子内径、外径分别为 74mm 和 120mm ，极数 4，定子槽数 24，电机为对称结构可以建立四 分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解， 问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。

该电机的模型示意图如图 4-1 所示。

图 4-1 4 极 24 槽永磁电机结构示意图通过本问题的分析，读者可以学习掌握 Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源 加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理。

Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下：1 创建项目及定义分析类型2 建立几何模型3 定义及分配材料4 定义及加载激励源和边界条件5 求解参数设定6 后处理4.2.2 创建项目Step1. 启动 Ansoft 并建立新的项目文件假设用户计算机已经安装了 Microsoft 公司的 Windows 操作系统和 Ansoft 公式的 版本 Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的 Maxwell 12 图 以启动Maxwell ，启动后的Maxwell 12 其界面如图4-2 所示。

124图 4-2 Maxwell 12 启动初始界面Step2. 重命名及保存项目文件在项目管理窗口中右键单击项目名称选择 Rename 命令，输入 PMSM-Magstatic 对项目 文件进行重命名，如图 4-4 ，单击工具栏上 按钮保存此项目文件 ,在项目文件保存目录执行 File/New/ 命令，或者单击工具栏上 按钮新建一个项目文件如图 4-3 所示。

图 4-3 添加新项目界面中就会出现如 PMSM-Magstatic.mxwl 项目文件，图 4-5 所示。

5图 4-4 项目文件重命名界面中就会出现如PMSM-Magstatic.mxwl 项目文件，图4-6 所示。

MAXWELL仿真实践报告学院：电信学院专业：自动化学号：学生：指导教师：陈嵩MAXWELL实践报告题目一：研究永磁同步电机静磁场分布要求：通过查阅资料，对永磁同步电机进行建模，通过本题目熟练掌握复杂模型的建立方法及技巧，并求解电机的平均电磁转矩及场图分布。

例：建立如下模型进行分析一、三相永磁同步电动机电机几何模型三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。

电机定子内径、外径分别为74mm 和120mm，极数4，定子槽数24。

图1 电机定子冲片模型图2 电机几何模型图二、三相永磁同步电动机电机的材料及激励源对于永磁同步电动机静磁场分析，需要指定以下材料属性：1 、指定气隙Air-gap 材料属性——空气（亦可采用默认材料属性真空）；2 、指定绕组coil 材料属性——铜；3 、定义定子铁心Stator 及转子轭yoke 材料属性DW465-50,一种电机常用非线性铁磁材料；4 、定义永磁体材料，命名为P_Mag ，指定给永磁磁极。

（1）DW465-50 硅钢片表1 DW465-50 硅钢片B-H 数据表（2）永磁体材料图3 线性永磁材料退磁曲线（3）加载电流激励源选择A 相四个绕组，A 相绕组电流为36 安培，B 、C 相分别电流相位分别落后与A 相电流相位120 度和240 度，因此其值为18安培。

电流值满足：()02sin max +=ft I I A π ()1202sin max -=ft I I B π ()2402sin max -=ft I I B πHHz f 50=（4） 剖分图图4 模型剖分图三、电磁场仿真分析1、 力矩Ansoft 软件中力矩信息正方向为逆时针方向，图中力矩数值前的负号，代表电机所受力矩为顺时针方向。

另外，Maxwell 2D 进行磁场分析时，Z 轴长度是以1m 深度（depth ）进行计算的，即在本文中电机的轴向长度默认为1m ，实际电机铁心长94mm ，因此电机受到的实际力矩应为m N depth T T em ∙=⨯=⨯=3524.0094.07493.3 2、 力转子X 、Y 两方向分力及总的合力()N x F 7997.2= ()N y F 3776.5-= ()N F Mag 0628.6= 3、 电感矩阵表2 电感矩阵绕组中的电感参数，与实际绕组的匝数N 相关，且于Z 轴方向长度（depth ）相关，电感矩阵信息中所显示的为单匝，单位长度的电感值，因此实际电感需要按下式计算： 2a L L N depth =⨯⨯4、电机磁力线分布图5 电机磁力线分布5、电机磁通密度云图分布图6 电机磁通密度云图分布四、实践结论利用ansoft软件建立了永磁同步电动机的模型,以及分配了电机各个部分的材料以及设置了线圈的电流激励,并通过软件对电机的转子转矩、磁力线分布、磁通密度分布等进行了求解。

基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例4.2.1 问题描述三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。

电机定子内径、外径分别为74mm 和120mm，极数4，定子槽数24，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解，问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。

该电机的模型示意图如图4-1 所示。

图4-1 4 极24 槽永磁电机结构示意图通过本问题的分析，读者可以学习掌握Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理。

Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下：1创建项目及定义分析类型2建立几何模型3定义及分配材料4定义及加载激励源和边界条件5求解参数设定6后处理4.2.2 创建项目Step1. 启动Ansoft 并建立新的项目文件假设用户计算机已经安装了Microsoft 公司的Windows 操作系统和Ansoft 公式的12 版本Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的Maxwell 12 图以启动Maxwell，启动后的Maxwell 12 其界面如图4-2 所示。

图4-2 Maxwell 12 启动初始界面执行File/New/命令，或者单击工具栏上按钮新建一个项目文件如图4-3 所示。

图4-3 添加新项目界面Step2. 重命名及保存项目文件在项目管理窗口中右键单击项目名称选择Rename 命令，输入PMSM-Magstatic 对项目文件进行重命名，如图4-4，单击工具栏上按钮保存此项目文件,在项目文件保存目录4中就会出现如PMSM-Magstatic.mxwl 项目文件，图4-5 所示。

图4-4 项目文件重命名界面图4-5 项目保存目录对话框Step3. 定义分析类型采用二维静磁场求解器对永磁同步电动机进行磁场分析，求解器选择步骤如下：执行Project/Insert Maxwell 2D Design 命令，或者单击工具栏上按钮建立maxwell2D 设计分析类型，如图4-6 所示。

一、概述此文档介绍了利用Ansoft Maxwell2D 11.0电磁场有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析的方法，读者应先了解Ansoft软件的基本使用方法后阅读本文，Ansoft软件的基本使用方法可参阅《Ansoft工程电磁场有限元分析》（刘国强著，电子工业出版社）。

永磁同步发电机磁场分析的基本流程见图1。

图1 磁场分析的基本流程二、求解空载磁场1.绘制有限元模型（Define Model）Ansoft Maxwell2D 有限元建模的方法主要有三种，一是直接在Maxwell2D 中绘制，选择Define Model-Draw Model 进入后在软件提供的绘图界面上绘制电机模型。

二是利用Ansoft RMXpert导入，点开Maxwell 11 3D的界面，选择Project-Insert RMxpert Design，然后逐项输入电机各项数据。

输入完各项数据后，点击RMxpert-Analyze all，求解电机模型。

求解完成后，点击RMxpert-Analysis Setup-Export-Maxwell 2D Project，生成一个Maxwell 2D模型。

在弹出的对话框中，Project Name中填写模型的名字，Location填写模型存放的路径。

三是用AutoCAD绘制后导入。

将绘制后的AutoCAD图形存成*.dxf格式，在Ansoft Maxwell2D 绘图界面中点击File-Import，选中*.dxf文件在出现的设置转换参数对话框中，将Number of segments for poligonalization of a circle 和Number of segments between control points of a spline 后的数量设置得大一点，点击ok，将AutoCAD图形转换为Maxwell 2D模型图形*.sm2。

界面后选择File-Open, 打开转换好的图形。

Ansoft Maxwell电磁仿真软件的应用实验报告一Maxwell 简介Ansoft公司的Maxwell是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件。

包括静电场、静磁场、时变电场、涡流场、瞬态场和温度场计算等，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。

Maxwell还可以产生高精度的等效电路模型以供Ansoft的SIMPLORER模块和其他电路分析工具调用。

三维静电场分析（3D Electrostatic Field）用于分析由静止电荷、直流电压引起的静电场。

该模块直接计算标量电位，得到电场强度（E），电位移矢量（D），电场力、电场能量、转矩、电容值等。

可用于分析直流高压绝缘问题，电容器储能问题等。

三维直流磁场分析（3D DC Magnetic）用于分析由恒定电流、永磁体及外部激磁引起的磁场。

该模块可计算磁场强度（H），电流密度（J），磁感应强度（B），磁场力、磁场能量、转矩、电感等。

可用于分析直流载流线圈磁场，永磁体产生磁场等。

涡流场分析（Eddy Current Field）用于分析受涡流、集肤效应、邻近效应影响的系统。

它求解的频率范围可以从０到数百兆赫兹，能够计算损耗、铁损、力、转矩、电感与储能。

可用于分析导体中的涡流分布。

三维正弦电磁场特性等。

瞬态场（Transient Field）用于求解某些涉及到运动和任意波形的电压、电流源激励的设备。

该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因而可轻而易举地解决上述装置的性能分析问题。

二Maxwell 仿真步骤1 选择求解器类型2 建模3 设置材料属性（电导率，介电常数，磁导率等）4 设置激励源和边界条件5 自适应网格剖分6 有限元计算7 后处理三Maxwell仿真实例题目三：静电除尘器电磁场分析要求：掌握静电除尘的工作原理，建立静电除尘器模型，观测内部电场及能量的分布情况，并对结果进行分析。