基于Ansoft的直线永磁电机瞬态磁场分析

D设计分析esign and anal y sis微特电机 2006年第11期基于A n s o f t的直线感应电机性能分析22收稿日期:2005-12-21基于Ansoft 的直线感应电机性能分析裘昌利1,2,张红梅1,刘少克1(1.国防科技大学,湖南长沙410073;2.空军航空大学,吉林长春130000)P erfor m ance Analysis of Linear Inducti o n M ot or Based on AnsoftQIU Chang -li 1,2,Z HANG H ong -m ei 1,L I U Shao -ke1(1.N ationalUn i v ersity of Defence Technology ,Changsha 410073,Ch i n a ;2.Av iation Un i v ersity ofA irf o rce ,Changchun 130000,China)摘 要:使用A nso ft 软件辅助直线感应电机的设计和分析,并对电机的磁场分布和运行性能进行仿真,给出了仿真结果,并对仿真方法作了简要的说明。

关键词:直线感应电机;仿真;性能分析中图分类号:T M 359.4 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2006)11-0022-02Abstract :The process o f desi gn and analysis of li nea r i n -duc ti on mo tor can be d irected by A nso ft .T he distr i buti on of m agnetic field and the runn i ng perfor m ance are discr i bed by si m -u l a ti on fi gures .K ey w ords :li near i nduc tion m otor ;si m u l a ti on ;ana l ys i s of performance1引 言直线感应电机作为线性驱动装置,具有以下特点:(1)通过电能直接产生电磁推力形成直线运动,不需要从旋转运动到直线运动的机械结构转换;(2)速度不受离心力或电机直径的影响;(3)直线电机的特殊结构决定了其散热能力好,但相对传统旋转电机也有许多不足之处;(4)由于气隙较旋转电机大,因此所需的磁化电流较大,使励磁损耗增加;(5)由于直线电机初级铁心两端开断,产生了边端效应,其边端效应包括纵向效应和横向端部效应,特别在高速区域,由于第二类纵向边端效应在次级导体板产生的感应电流的影响,使电机的损耗增加,功率因数降低,并引起推力减小;(6)直线感应电动机的功率因数和效率都比较低。

基于ANSOFT的永磁同步电机电磁场分析敖晖;郑乃清【摘要】电机气隙是机电能量转换的重要区域,气隙中的磁通密度是电机设计的重要参数.对7.5kW永磁同步电机,通过有限元分析软件ANSOFT进行建模、定义材料属性和模型属性,经过剖分划网、加载边界条件和负载电流,求解偏微分方程组后,完成后处理,得到永磁同步电机气隙中的磁力线分布图和磁通密度分布图.分析结果为永磁同步电机的优化设计提供指导意义.【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(025)003【总页数】4页(P228-231)【关键词】永磁同步电机;ANSOFT;磁通密度;磁力线分布【作者】敖晖;郑乃清【作者单位】宁德师范学院物理与电气工程系,福建宁德352100;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350002;宁德师范学院物理与电气工程系,福建宁德352100【正文语种】中文【中图分类】TM343稀土永磁电机具有结构简单、铁芯损耗少、效率高、体积小、重量轻、运行可靠等优点，成为新一代高效节能电机中的主要类型.随着稀土材料性能和制造工艺水平的不断提高，永磁同步电动机的磁路设计受到广泛关注，而电机气隙中的磁通密度是电机设计的关键参数，它是分析电机性能、计算空载漏磁系数、极弧系数和磁通波形系数的基础[1-3]，因此值得深入研究.目前国内外学者提出的电机磁路的计算方法主要有：等效磁路法、场路结合分析法和电磁场数值计算法.等效磁路法是研究电机性能和参数的传统方法，由于该方法假设电机磁路中的磁通为均匀分布，所以气隙磁通的计算结果精度不够.场路结合分析法将磁场和磁路的分析方法融合，在电机设计效率和参数计算精度两个方面折中考虑，有较好的实用性.电磁场数值计算法分为有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种基本类型，以有限元分析法最为有效，具有求解方便、精度高、收敛性好等特点.本文针对永磁同步电机在设计中气隙磁通密度求解不易，且精度低的难题，运用ANSOFT软件建立7.5kW永磁同步电机模型，经过前处理、求解和后处理三个步骤，得到永磁同步电机的气隙磁通密度分布图.1.1 电磁场的边值问题电磁场分析的理论基础是麦克斯韦方程组，通常应用两种位函数，一种是标量磁位φ，它仅适用于无电流的无旋场域；另一种是矢量磁位，是时间坐标和空间坐标的函数[4]，包含三个分量，适用于有电流的区域的有旋场.在稳态情况下，电机平面场域Ω上，电磁场边值问题可表示为:式中v=1/μ，ν是磁阻率，μ是磁导率；AZ是矢量磁位；J是源电流密度；H是磁场强度的切向分量；Γ1、Γ2是第一类和第二类边界条件.对方程组（1）可离散化为代数方程组，只要将指定区域划分为有限个小单元，建立偏微分方程组，构造插值函数后即可求解[5].1.2 恒定磁场的边界条件由1.1可知，电机中电磁场的分析与计算可归结为偏微分方程的求解[6].对于偏微分方程，使其解为唯一的辅助条件可分为两种：一种是确定场的初始状态，称为初始条件；另一种是表达场的边界所处的物理情况，称为边界条件.目前，电机电磁场问题主要研究的是没有初始条件而只有边界条件的定解问题即边值问题.在电磁场的实际求解问题中，既有求解域总的区域边界，又有不同媒质（如空气和铁芯）形成的交界面，通常可以归类为如下三种：狄利克莱边界条件、诺依曼边界条件和第三类边界条件[5].狄利克莱条件表明磁势在某个边界的值是给定的，对于电机的磁场而言，磁场主要分布在电机内部，可选电机外一定距离的空间某处为零磁势，即第一类边界条件. 诺依曼条件通常表达几何尺寸和激励源的对称性，对于电机内部的电磁场，当边界上的法向导数值为零时，即为第二类齐次边界条件.由于电机结构具有对称性，其内部的磁场分布，每经过一对极（即一个周期2τ）就重复一次，满足整周期边界条件.为了减少计算量，当磁场满足周期性边界条件时，求解域可以缩小为一对极或一个极内的区域，这样可加快计算速度.2.1 二维建模根据电机生产厂家提供的7.5kW永磁同步电机结构参数见表1，通过ANSOFT软件中的Maxwell 2D，建立永磁同步电机定、转子整体和八分之一结构图，如图1所示.2.2 定义材料属性各种材料的性能设置如下：（1）定、转子冲片材料：DW310-35，输入该材料的B-H曲线.（2）鼠笼条材料：铸铝；相对磁导率1.00002；电阻率：3E-009.（3）定子绕组：铜，相对磁导率：0.999983；电阻率：18E-009.（4）空气：相对磁导率：1.00.（5）磁钢（Y轴方向充磁，N极向上）：N-33SH，相对磁导率：1.002；矫顽力：X轴：0；Y轴：8.9E+009A/m；Z轴：0.（6）磁钢（N极偏左）：N-33SH，相对磁导率1.002；矫顽力：X轴；-8.2693E+005A/m；Y轴：3.0098E+005A/m；Z轴：0.（7）磁钢（N极偏右）：N-33SH，相对磁导率：1.002；矫顽力：X轴：8.2693E+005A/m；Y轴：3.0098E+005A/m；Z轴：0.2.3 划分网格执行Maxwell 2D/Mesh Operations/Assign/On Selection，精度为2mm，求解完成后执行Maxwell 2D/Fields/Plotmesh命令生成如图2所示网格.3.1 模型求解首先需要对模型施加强制边界条件（即第一类边界条件）、周期性边界条件（即二类边界条件）和载荷（如电流、电压等）.永磁同步电动机由永磁体作为激励源，通过前面材料属性中矫顽力设置即可，不必另外加激励.模型求解过程的收敛图如图3所示.3.2 后处理及分析当有限元分析的模型、载荷、边界、求解设置完成后，执行Maxwell2D/Validation Check命令，弹出自检对话框，当所有设置正确后，每项前出现对号提示.自检正确完成后，执行Maxwell 2D/Analysis all命令，启动求解过程.求解过程中，工程进度栏中交替显示系统计算过程的进展信息，如细化剖分、求解矩阵、计算力等，用户可根据需求中断求解，求解结束后，工程信息栏会弹出相应的提示信息.经过后处理阶段得到的磁力线分布图和磁通密度分布图，分别如图4和图5所示.由图4可见，在永磁材料对中位置的定子绕组槽附近磁力线密度大，以它为中心向两侧均匀递减，分布情况可认为是均匀的.在图5中，隔磁槽靠近气隙处呈棕红色，磁通量密度最大，说明此处漏磁大；磁极所对应的定子槽之间磁通密度也较大，说明永磁体磁场与定子电流产生的磁场相互耦合，磁通密度增强.利用ANSOFT软件对7.5kW稀土永磁同步电机进行了磁场数值计算.经过剖分划网、加载边界条件和负载电流，求解偏微分方程组后，完成后处理，得到永磁同步电机气隙中的磁力线和磁通密度分布图，所介绍的步骤和方法简洁明了地验证了转子结构的设计效果，为永磁同步电机的优化设计奠定了基础.【相关文献】[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计 [M].北京：机械工业出版社，1997.[2]汤蕴缪.电机内的电磁场 [M].北京：科学出版社，1998.[3]吴亚麟.稀土永磁凸极同步发电机极靴形状的设计 [J].电机控制与应用，2006，33（9）：8-11.[4]李钟明.稀土永磁电机 [M].北京:国防工业出版社，2001.[5]杨高.基于Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电动机的设计 [D].重庆：重庆大学，2007.[6]李群女，邹景详，张泽惠.永磁同步电机的优化设计 [J].上海电力学院学报，1994，10（4）：15-21.。

基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要：为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性，本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。

以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ，首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置；然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异；最后提供了此仿真方法的问题与改进思路，为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。

关键词：Ansoft；退磁引言在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。

对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，永磁体退磁是一个重要的指标[1]。

为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。

当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，进而影响到压缩机的性能。

因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。

目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降 3 % 为限定标准。

但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。

以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能，本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。

1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照 3 % 磁链降低为界限限定。

Ansoft 瞬态磁场计算（未考虑外电路）总结整理：2008-6-4于德国Kassel大学目录1、说明2、电机额定运行时的瞬态场分析与计算2.1 Setup Boundaries/source（重点考虑Source Setup）2.2 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Options]2.3 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Motion Setup]2.4 Solve | Nominal Problem2.5 Post ProcessPost Press/Transistant date：2.5.1计算平均输出功率：Average Output Power2.5.2计算相电流有效值：2.5.3计算输入电功率，由此可以计算效率2.6Post ProcessPost Process/field：2.6.1齿部磁密分布和磁密平均值计算2.6.1.1 齿部磁密分布2.6.1.2 齿部磁密平均值计算2.6.1.3 沿齿弧磁密分布和沿齿磁密分布的差异2.6.2 定子轭部磁密分布和磁密平均值2.6.3 定子轭部磁密分布和磁密平均值2.6.4 气隙磁密分布和磁密最大值3、电机空载额定转速运行时的瞬态场分析与计算3.1 Setup Boundaries/source（重点考虑Source Setup）3.2 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Options]3.3 Setup Solution选择[Setup Solution]|[Motion Setup]3.4 计算结果4、考虑铁耗的计算结果4.1 铁耗计算设置4.2 额定负载时考虑与不考虑铁耗时的比较4.3 负载很小时的比较4.3.1 考虑铁耗时4.3.2 不考虑铁耗时5、Maxwell 与RmxPrt计算结果比较5.1 磁密及额定值比较5.2 额定转速时永磁相电势比较5.3 气隙磁密分布6、其他心得1、说明以16极36槽调速永磁同步电动机为例进行分析电机的瞬态场计算，电机由RmxPrt 开始，并将该模型加到MAXWELL 11中。

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。

基于Ansoft的车用永磁同步电机电磁场仿真随着新能源汽车的发展，永磁同步电机得到了广泛应用。

由于其磁场空间分布的复杂性，往往在电机结构设计阶段带来较大的困难，本文基于Ansoft软件提出一种永磁同步电机有限元模型进行电磁场仿真方法，准确计算电机的主要性能和参数，为电机优化设计提供可靠依据。

标签：永磁同步电机；Ansoft；电磁场仿真0 引言在永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）产品设计验证阶段，通过有限元仿真的方式来分析电机电磁场仿真结果，能有效的的替代繁琐耗时的实验分析，为产品的设计和优化提供可靠的依据。

作为电机电磁场有限元仿真软件之一的Ansoft/Maxwell基于是麦克斯韦微分理论，通过将有限元划分成离散空间分布，将电磁场的求解计算转变为数学形式上的矩阵求解，提高电机有限元仿真的准确性，除此之外，其拥有丰富的参数设计和仿真功能，在永磁同步电机设计中应用广泛。

本文以车用的电驱动系统中永磁同步电机作为研究对象，通过建立有限元模型，进行有限元电磁场仿真，从而获取电机运行时的转矩、电流、功率特性以及电感等结果，为优化设计提供可靠依据。

1 基于Ansoft的PMSM有限元模型建立建立准确的PMSM有限元仿真模型是对电机准确电磁场分析的关键。

在PMSM有限元模型的设计中，将定子尺寸通过Ansoft/Maxwell软件中RMxprt参数化模块生成定子模型和绕组方式。

转子部分则通过AutoCAD画出并导入到Ansoft/Maxwell中，然后分别设定相应的面域和材料属性，并设定永磁体的磁场方向，通过网格划分完成模型的建立。

2 基于Ansoft的PMSM有限元电磁场仿真在建立完成PMSM有限元模型后，采用三相对称正弦电流激励的方式，在稳态工况下，完成PMSM有限元模型的基本电磁场仿真。

为保证设定的A、B、C三相激励电流为对称正弦，则三相电流的相位相差120°，且三相电流的频率相同且与电角频率相一致，从而使定子电流产生的电枢磁场与永磁体产生的励磁磁场保持稳态的同步旋转速度。