基于ANSYS的异步电动机电磁场分析

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。

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。

内蒙古科技与经济Inner Mongolia Science Technology & EconomyMay2020No. * Total No. 4512020 5第*期总第451期ansys 8 apqmn戈1，胡晓迪2(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000,.中国铁路西安局集团有限公司，陕西宝鸡721000$摘 要:ANSYS EM Suit 是一款集成度很高的有限元仿真分析软件，本文对其电磁场仿真过程进行了介绍，并以同心式CRT 为例，对其电磁场仿真分析进行说明，希望能为电磁设备的电磁场仿真提 供一定的指导。

关键词：ANSYS ；电磁场；有限元中图分类号:TM15 文献标识码:A 文章编号1007—6*21(2020)0*—0079—02限元法是基于电子计算机#杂问题简单化，进而求解复杂工程的数值算法，其基本思为#的几何结构离散成有限个，并且在每个都设限个节点，将 的结构体看仅 点处相连的 集合体，从而将一个 :域中的无限自由度问题，转换成为离散域中的有限 自由度问题(1)&目前，常用的有限元软件有 ANSYS 、COM -SOL 、ABAQUS 等&笔者以有限元软件 ANSYS E ­lectromagnetics Suite 为例，介绍析方法&1有限元软件介绍ANSYS EM Suit 是一款集 ANSYS HFSS 、ANSYS Maxwell.ANSYS Simploer 、ANSYS Q3D Extractor 、ANSYS Icepa 、ANSYS SIwave 等多个模块于一体的集成有限元仿真软件&如图1 为 ANSYS EM Suit 界面截图&图1 ANSYS EM Suit 界面截图ANSYS HFSS 模块为三 波仿真软件，用频和高速电子元件设计，求解多种微波、射频和高速数 用&ANSYS Maxwell 模块作为业界顶级的 电磁场仿真分析软件，用 设与 设备的三限元仿真，可以完成静态和瞬态、频域和时域的 与仿真分析&ANSYS Simplorer 模块是 ANSYS 的多物理域系统集成软件，它可以将复杂的 析与 Max ­well限元仿真分析集成在一起，最终 1高性能的电磁、机电以及电力电子系统仿真分析&ANSYS Q3D Extractor 模块是一种寄生参数提取工具，主要供工程人员用 子封装、触摸屏和子变 器的设计，针对仿真 的、电感、电容等参数进行 &ANSYS9cepak 模块主 用 集成 封 、刷、电子装配体和完整产品的快速传递和流体流析&ANSYSS9wave 模块用子封 与 刷的信号、电源完及 干 析&如图2所示为 ANSYS EM Suit 的分布模块&ANSYS MaxwellANSYS HFSSANSYS SimplorerAN Electromag zSYSnetics SuiteANSYS Q3DANSYS SIwaveANSYS Icepak图2 ANSYS EM Suit 的分布模块2 ANSYS 电磁场分析过程限元分析包含了前处理、计算求解、后处理三大 ⑵&前处理主要是进行模型的建立与的划分，计算求解主要是对基本未知量的计算过程#理主要是对计算结果的与处理&在进行ANSYS 的有限 析之前，要根据分析对象与求解问题的特点#个集成模块中，选的模块&，基于ANSYS 的析总共分为8步，其流如图3 &，求解器分为析求解器和析求解器& 析求解器包含了静 求解器、涡流场求解器、求解器# 析求解器包含了静 求解器、直流传导 求解器、交流 求解器&边界条件有自 界条件、对 界条件、气球收稿日期！020 —01 —10陕西铁路工程职业技术学院科研基金项目(KY2018 — 80)；陕西铁路工程职业技术学院科研创新团队(KJTD201901&・7*・总第451期内蒙古科技与经济界条件、主 界条件% 界条件& 主要包 、电流 以及外3种型&据求解问题的特点#的求解器、界条件与激屁图3 ANSYS 电磁分析程流程此外# 也是基于有限元法的电磁场分析的 环节，其密度 决定计算结果的精度&ANSYS EM Suit跟模型特点进行自适用划分，但若对计算结果的精度 求# 用手3分析笔者以同心式结构的变压器式可控电抗器(Controllable Reactor of Transformer type, CRT)基 限元软件的对其进行 析&设同心式CRT 有1个 绕组和3个控制绕组，且各控制绕组电流分别为5A.2. 5A 、2”5A &据同心式CRT 的特点，选择ANSYS Maxwell 模块%求解器进行 析&根据图3 的ANSYS 有限析步骤，对CRT 进行 -算,4 绕 同 心 CRT 的(如图4) &夕卜，还可以在计算结果中，查看各绕组电流波形(如图5所示)，同时，也可以通过后处理得出绕组电流仿真值图5同心式CRT 各绕组电流波形截图图4同心式CRT 的磁场分布云图截图XYPIot4—Current(WindingT) >—Currer )t(Winding2) —Current(Winding3) —CurrentfWindina41jA flA i\[JU A u J J o L L Q JI w W W W WWfmno a AM a AA m J\ M 八\ VVUVVVUV v 4结束语ANSYS EM Suit 是一款集成度很高的有限元仿真分析软件，笔者对仿真 进行介绍,并以同心式CRT 为例，对仿真分析进行，希望能为 设备的仿真提供一定的指导&［参考文献］「1" 凌桂龙，李战芬.ANSYS 14. 0「M "北京：清 华大学出版社#013：95〜193.!" 龚岩.变压 抗器损耗与温升研究:D ".兰州：兰州交通大学#016.(上接第78页)牌识别、场景识别％断等&基 度学习技术的 厂高温栓金相织智能识别方法，①提升发电厂金相检验的速度与 ，并 栓组织 的变 律来测螺栓寿命，提升 厂的经济性与运行的 ：，具的实用价值&②深度学用一种热的人工智能技术，金相组织识 了 的应用领域,对大人智能技术的应用的 &③ 了相组织智能识别的新方法,对相研究与应用领域具的学术意义与应用价值&［参考文献$「1" LECUN Y,BENGIO Y, HINTON G. Deeplearning !". Nature,2015 #21(7 553% ：436 〜444.!" 郭丽丽，丁世飞.深度学习研究进展！丄计算机科学 #015 #2(5% ： 28〜33.!" 侯宇 ，全吉成，王宏伟.深度学习发展综述!".舰船电子工程#017 #7(4% ： 5〜10.［4" Zhang Lixin , Xu Zhengguang # Wei Shuailinget al. Grain Size Automatic Determinationfor 7050 Al Alloy Based on a Fuzzy Logic Method!". Rare Metal Materials and Engi- n;;ring #2016#45(3%：548〜554.!"葵，傅一迪.基于人工 非金属夹杂物的检测与研究！" 2014,24(11% ： 14〜18.!" 何维娜，张丽丽.人工神经网络在金相图像分割中的应用研究!".电子设计工程#013,21(3%：143〜147.・80・。

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。

ANSYS软件对电机磁场的分析徐海峰辛慧源(浙江大学，浙江杭州 310027)摘要：本文重点介绍了用ANSYS软件分析电机磁场，使ANSYS软件具有"计算和分析"电机磁场的功能，从而进行电机的优化设计。

关键词： ANSYS；电机磁场；优化设计中图分类号：TP21 文献标识码：A1 前言磁路设计是电机设计的主要部分，磁路量对电机的主要性能起决定性的影响，电机的转矩和反电势直接取决于主磁通量。

因此磁路法是工程上最适用的电机计算方法。

所以从根本上讲，电机问题是一个电磁场的问题，由于永磁材料的引入，使许多传统的分析方法感到力不从心，所以对无刷直流电机进行磁场的研究还是非常必要的。

ANSYS软件是世界上著名的大型通用有限元计算软件，具有强大的求解器和前、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有两地工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。

2ANSYS分析电机磁场的基本原理工程上的磁场分析一般采用数值计算方法。

常见的数值计算方法有有限差分法和有限元法。

差分法不适合于边界条件复杂、边界不规则(外部或内部)的情况。

为了充分发挥永磁材料的磁性能。

特别是稀土永磁的优导磁性能，用很少的永磁材料和加工费用制造出高性能的永磁电机，就不能简单套用传统的结构和设计计算方法。

必须应用现代设计思想，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度。

为此，本文采用有限元分析法。

使用有限元分析，目前一般有三种作法：a)用数学关系式建模，用计算机算法语言编制了网格自动剖分程序、有限元分析程序、相关的前后处理程序、电磁计算程序；这是传统的有限元分析方法。

b)采用有限元分析软件对电机内的电磁场进行简单的分析计算，完成电机设计中的磁路部分的设计，利用MATLAB等类似软件编制了电磁计算等其他设计程序。

c)大量工作均用高级的有限元分析软件完成，诸如力矩、电感、磁力线、磁通、磁场强度均一次性得出，使设计真正成为一种优化设计，设计过程即为分析过程。

第18章 电磁场分析 在电磁学里，电磁场是一种由带电物体产生的物理场，处于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。

★18.1 电磁场基本理论电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，分析和研究电磁场的出发点就是对麦克斯韦方程组的研究。

18.1.1 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组实际上是由4个定律组成，分别是安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律（简称高斯定律）和高斯磁通定律（亦称磁通连续性定律）。

1. 安培环路定律无论介质和磁场轻度H 的分布如何，磁场中的磁场强度沿任何一条闭合路径的线积分等于穿过该积分路径所确定的曲面的电流总和，这里的电流包括传导电流（自由电荷产生）和位移电流（电场变化产生），利用积分表示为：()D Hdl J dS tΓΩ∂=+∂∫∫∫ （18-1）ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通 式中，J 为传导电流密度矢量（A/m 2），D t∂∂为位移电流密度，D 为电通密度（C/m 2）。

2. 法拉第电磁感应定律 闭合回路中的感应电动势与穿过此回路的磁通量随时间的变化率成正比，利用积分表示为：(B Edl J dS tΓΩ∂=−+∂∫∫∫ （18-2） 式中，E 为电场强度（V/m ），B 为磁感应强度（T 或Wb/m 2）。

3. 高斯电通定律在电场中，不管电解质与电通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的电通量等于已闭合曲面所包围的电荷量，这里的电通量也就是电通密度矢量对此闭合曲面的积分，积分形式表示为：v S DdS dv ρ=∫∫∫∫∫ （18-3）式中，ρ为电荷体密度（C/m 3）。

4. 高斯磁通定律在磁场中，不论磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的磁通量恒等于零，这里的磁通量即为磁通量矢量对此闭合曲面的有向积分，用积分形式表示为： 0SBdS =∫∫ （18-4） 式（18-1）~式（18-4）还分别有自己的微分形式，也就是微分形式的麦克斯韦方程组，分别对应式（18-5）~式（18-8）：D H J t ∂∇×=+∂ （18-5） B E t ∂∇×=∂ （18-6）D ρ∇= （18-7）0B ∇=（18-8）在电磁场计算中，经常对上述这些偏微分进行简化，以便能够用分离变量法、格林函数等求得电磁场的解，其解的形式为三角函数的指数形式以及一些用特殊函数表示的形式。

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。

1.2ANSYS如何完成电磁场分析计算ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。

有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。

根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。

1.3静态、谐波、瞬态磁场分析利用ANSYS可以完成下列磁场分析：·2-D静态磁场分析，分析直流电(DC)或永磁体所产生的磁场，用矢量位方程。

参见本书“二维静态磁场分析”·2-D谐波磁场分析，分析低频交流电流(AC)或交流电压所产生的磁场，用矢量位方程。

参见本书“二维谐波磁场分析”·2-D瞬态磁场分析，分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，包含永磁体的效应，用矢量位方程。

参见本书“二维瞬态磁场分析”·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用标量位方法。

参见本书“三维静态磁场分析（标量位方法）”·3-D静态磁场分析，分析直流电或永磁体所产生的磁场，用棱边单元法。

基于有限元的异步电机电磁振动分析王玎;祝长生;符嘉靖【摘要】电机的电磁振动是电机电磁场与机械结构耦合的结果,要研究电机的电磁振动,需要将电机的电磁场和结构振动分析结合起来.通过有限元软件,采用一种弱磁-固耦合的方法,对异步电机的电磁振动特性进行分析.首先利用ANSOFT有限元软件建立异步电机的二维有限元模型,计算电机的瞬态电磁场,得到电机在给定转速稳态运行状态下的磁场分布和作用在定子上时变的电磁力;其次用ANSYS有限元软件建立异步电机结构的三维有限元模型,将AN-SOFT软件得到的时变电磁力进行频谱分析并校正,然后施加到电机上,计算出电机结构的电磁振动响应.基于对电机电磁振动特性的分析,可以对电机的电磁参数和结构进行改进和优化设计,以降低电机的电磁振动.%The interaction between electromagnetic field and structure of an electrical machine leads to its electromagnetically excited vibration. In order to evaluate the electromagnetically excited vibration, the electromagnetic field analysis and the structural vibration analysis of the electrical machine should be combined. A weak-coupled method for the electromagnetically excited vibration of an asynchronous electrical machine was presented here based on the finite element method (FEM). Firstly, a 2D FE-model for the electromagnetic field of the asynchronous electrical machine was built with ANSOFT software, and the time-varying magnetic forces exerted on the stator at a given rotating speed were calculated. Then, a 3D structural FE-model of the asynchronous electrical machine was formed with ANSYS software. After analyzing the harmonic response of the asynchronous electrical machine, the harmonics of themagnetic forces were calculated and corrected. These harmonic electromagnetic forces were exerted on the structure of the asynchronous electrical machine and its electromagnetically excited vibration was computed. Based on the analysis of the time-varying magnetic forces and the electromagnetically excited vibration, the electromagnetic parameters and the structure of the electrical machine could be improved and optimized to reduce its electromagnetically excited vibration.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2012(031)002【总页数】6页(P140-144,154)【关键词】异步电机;有限元;电磁力;振动【作者】王玎;祝长生;符嘉靖【作者单位】浙江太学电气工程学院,杭州310027;浙江太学电气工程学院,杭州310027;浙江太学电气工程学院,杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TB535电机的振动分别由电磁振动、机械振动、气体振动三部分组成［1－4］。