基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真

基于Ansoft的永磁电机定子匝间短路故障仿真实现方法随着第三代永磁材料成本下降，永磁电机以其高效节能的突出优势已成为当今工业电机、风力发电以及电动汽车驱动电机的首选。

永磁电机的广泛应用，使得其故障研究已成为关注的热点。

本文对永磁电机定子匝间短路故障的模拟方法进行了研究，提出在Ansoft软件环境下，可以通过改变定子绕组匝数和激励源的大小两种方法实现，求解后便可得到永磁电机匝间短路后的故障性能曲线和参数。

标签：永磁；电机；定子；匝间短路1 引言永磁电机因其用永磁体代替了转子上的励磁绕组，使其具有效率高、体积小、节能效果明显等特点，致使传统电机本体的永磁化是其重要的发展方向，同时也成为节能产品首选电机机型，常见的永磁电机主要包括永磁同步电机，永磁无刷直流电机，永磁直线电机等。

永磁电机在长期连续运行过程中，如果外界条件比较恶劣，将有可能引发各种故障，而定子匝间短路故障是最常见的故障之一，如不能及时发现，将会进一步恶化，发展为严重的单相接地故障和相间故障，甚至破坏性更大的三相短路故障，影响生产的产品质量和所拖动机械设备的工作状态。

随着永磁电机在汽车工业、航空系统、电力产业等行业的广泛应用，吸引了更多学者对永磁电机故障展开研究，而电机的故障实验研究是一项破坏性研究，因此仿真分析方法是电机故障研究常用的方法，在仿真分析的基础上对电机故障进行研究更具有目的性，同时也为故障实验的研究提供依据，基于此，本文对永磁电机定子匝间短路故障的仿真实现方法进行了探索。

2 永磁电机仿真模型的建立Ansoft软件是有限元（FEM）数值分析方法的一种，可以用来分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的各种特性[1]，其所所建模型能够反映电机内部各种因素的影响。

本文以Ansoft/Maxwell为仿真平台，仿真电机为丰田混合动力车驱动用永磁同步电机，其额定功率为42kW，永磁体呈V型分布，定子绕组为单层线圈结构，极对数为4，定子槽数为48。

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软件在电机设计中的应用教程引言：ANSYS公司是全球领先的工程模拟软件开发商之一，旗下的ANSOFT 软件是一套专门应用于电磁场模拟及电磁场与电路耦合仿真的工具。

该软件被广泛应用于电机设计、电机驱动器设计、变压器设计、高频设备设计等领域。

本文将重点介绍ANSOFT软件在电机设计中的应用。

一、ANSOFT软件简介ANSOFT软件是一套电磁场模拟及电磁场与电路耦合仿真工具，主要包含HFSS、Maxwell、Simplorer等几个工具。

其中，HFSS（High Frequency Structural Simulator）是ANSYS公司开发的基于有限元理论的高频结构模拟软件；Maxwell是一款用于模拟电气、电磁和机械系统中静态和动态行为以及互连行为的软件；Simplorer是一款用于嵌入式系统和电子系统设计的面向对象、基于模板和分层技术的多领域仿真环境。

二、ANSOFT软件在电机设计中的应用1.基于有限元法的电机磁场分析ANSOFT软件可通过HFSS工具，对电机中的磁场进行分析。

用户可根据实际问题建立三维模型，并设置电机的几何参数、材料属性等。

通过求解电磁场方程，可以得到电机中的各种磁场分布，如磁感应强度、磁感应线等。

这些分析结果可以直观地展示出电机的性能，为电机设计提供重要参考依据。

2.电机热分析电机在工作过程中会产生大量的热量，热问题是影响电机性能的重要因素之一、ANSOFT软件可通过HFSS和Maxwell工具，对电机的热问题进行仿真分析。

用户可设置电机的绝热条件、材料的热导率等参数，并进行热传导的数值模拟。

通过分析电机的温度分布和热耦合效应，可以评估电机的热稳定性，避免因温度过高而导致的损坏或性能下降。

3.电机电磁与电路耦合仿真在电机设计中，电机通常与驱动器和电路连接。

ANSOFT软件的Simplorer工具可以实现电机电磁与电路的耦合仿真。

用户可将电机的电磁模型与电路模型相结合，进行电机的驱动力学仿真。

2010年第34期（总第169期）NO.34.2010（C um ula tive tyNO.169）摘要：利用Ansoft公司的M axw ell2D瞬态模块，建立了在线启动永磁同步电动机模型，加载激励源，构成一个完整的仿真系统。

通过对电动机的模型瞬态有限元分析，得到了绕组磁链、转速、转矩和反电势曲线。

仿真结果精确地反映了在线启动永磁电动机启动过程，为永磁同步电动机优化设计、减少转矩脉动、提高启动转矩提供了理论依据。

关键词：在线启动永磁同步电动机；启动过程；电磁场有限元法；Ansoft瞬态分析中图分类号：TM341 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2010）34-0140-03在线起动永磁同步电机也是一种典型的永磁同步电动机，该机与一般普通感应电机一样，在启动过程中也要求具有一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数，还要求其具有足够的牵入同步的能力。

由于在线起动永磁同步电机在转子上安放了永磁体，使得电机交、轴磁路磁导不相等以及永磁体的存在，给起动过程的计算分析带了困难。

若启动绕组设计不当，即使电机运行性能很好，也可能使机不能牵入同步运行。

因此在线启动永磁同步电机的启动过程比感应电机复杂，在启动过程中既有平均转矩又有脉动转矩，并且这些转矩的幅值随电机转速的变化而改变，在线起动永磁同步电机一般用在要求较高的场合，对电动机的要求主要体现要求电动机具有高效率、高功率因数、较高的起动品质因数和单位功率的永磁体用量，所以，正确地确定电机的主要尺寸、选择永磁材料和转子磁路结构、估算永磁体尺寸定转子冲片尺寸和绕组数据的选择，对电机的性能有重大影响。

本文应用Ans oft公司的电磁分析软件对电机动过程进行了仿真，说明有限元磁场分析方法对复杂永磁同步电机分析的精确性。

1　设计软件分析随着计算机辅助设计技术的飞速发展，涌现出了许多用于电磁场有限元数值计算的软件。

大多数软件静态场分析较为完善，所以目前一般是利用有限元软件进行静态分析，优化设计永磁同步电动机。

ANSOFT建模1、在ANSOFT软件中建立电机模型第一步、在ANSOFT绘制电机模型第二步、选择“Modeler”菜单下的“Export”项会出现下面的窗口选择保存为“step”格式的文件。

这时可以退出ANSOFT软件。

ANSYS仿真一、稳态温度仿真第一步创建稳态温度仿真模型第二步、添加材料及属性，属性主要为“导热系数”选择“Engineering data”→”Edit”开始添加材料第三步、添加完材料后，导入在ANSOFT下创建的电机模型，选择“Geometry”按下面选项选择选择ANSOFT下保存的“step”格式的电机模型第四步、导入模型后，给模型添加材料。

选择“Model”→”Edit”进入下面的窗口，按下面的步骤给电机的各个部分选择对应的材料。

第五步、添加完材料后，返回主窗口，更新修改后的工程文件如果没有问题，会变为第六步、添加热载荷首先添加自由度，在温度场分析中选择为温度，按下面窗口选择。

接下来，编辑温度，并选择应用区域，这儿定义整个模型的初始温度相同。

下面添加热载荷，按下面的窗口选择，这里选择“热生成率”。

编辑添加的热生成率数值，并选择应用区域，这儿选择所有的绕组。

添加完载荷后，更新一下工程文件，通过后，可以选择“Solve”进行求解。

如果求解成功后，左边的窗口会变成右边的窗口。

第七步、查看仿真结果。

按下面的窗口选择观察变量。

第一步、建立瞬态温度分析模型第二步、添加材料及属性，方法与稳态时相同。

但材料的属性不同，这里需要添加材料的“密度”、“导热系数“、“比热容”。

“Toolbar”窗口如下。

按照各个选项添加数据。

除了添加载荷不同，接下来的步骤与稳态时相同。

设置仿真步数为多步。

按下窗口设置载荷数据，设置为“阶梯数据”。

Ansys（Ansoft）MaxwellRMxprt电机仿真入门详细教程最近课题需要使用ANSYS对三相交流感应电机进行一些仿真，关于ANSYS分析的资料网上很多，但感觉对于新手来说最麻烦和最艰难的还是刚开始那个阶段。

之前在网上搜索了一下感觉也没有非常傻瓜的入门教程，后来在外网上找到一个不错的教程（电机建模，电机分析），在这里以文字的方式进行分析总结一下。

在教程中使用的ANSYS版本是18.2，因为需要进行电磁仿真，所以还需要另外安装相应版本的Ansys Electronics Suite。

才能使用教程中的Maxwell和RMxprt模块。

接下来对整个步骤做一下详细的说明。

整个分析过程主要包括两部分：（1）在RMxprt快速建立三相交流电机的仿真模型（2）对模型进行分析（1）建立电机模型Step1：打开ANSYS workbench，并从软件左边拖拽一个RMxprt分析模块到右侧活动窗口，随后双击Setup进入ANSYS电气分析模块。

Step2：在软件左侧项目管理的窗格内，右键点击RMXprtDesign1并在弹出的对话框中选择感应电机。

Step3：随后单机页面上的添加求解步骤按钮，按下图所示设置电机的相关额定参数。

Step4：双击左侧项目栏中的Machine分支，如退所示设置电机的一些基本信息Step5：双击左侧任务栏里的Stator分支，俺如果所示设置定子参数，随后双击Stator目录下的Slot项目，在弹出的菜单栏中取消勾选Autodesign，随后再次双击SLot分支，如图所示设置定子相关参数。

Step6：双击左侧项目栏中Stator分支下的Winding，如下图所示对电机定子绕组进行参数设置Step7：接下来同理先双击Rotor进行转子参数设置，双击Rotor Slot进行转子槽设计，双击Winding进行转子绕组设计Step8：双击左侧任务栏中的Shaft，对电机轴的参数进行设定Step9：完成以上电机参数设置后可以选择页面上的Validate按钮进行参数检查，没有问题的话可以保存，随后点击选项栏里的Analyze All 和 Solution Data，可以查看点击查看所构造点击的一些基本参数。

基于Ansoft的内置式永磁无刷直流电机的建模及仿真张正中;朱锋霖【摘要】应用有限元分析软件Ansoft,在RMxprt中计算和确定了一种适合低速纯电动车驱动用的内置式永磁无刷直流电机的电磁参数和电机结构;并在Maxwell 2D中建立该电机的静磁场模型进行仿真研究,校核了该电机的性能.电机模型仿真结果合理,为进一步研究提供了可靠的依据.【期刊名称】《金华职业技术学院学报》【年(卷),期】2016(016)003【总页数】6页(P49-54)【关键词】Ansoft;永磁无刷直流电机;内置式;仿真分析【作者】张正中;朱锋霖【作者单位】金华职业技术学院,浙江金华321007;浙江绿源电动车有限公司,浙江金华321000【正文语种】中文【中图分类】TM351;TM36+1目前，随着社会各界越来越关注燃油汽车对环境造成的污染，天然气、混合动力、电动汽车等新能源汽车被广泛推广应用。

其中，低速纯电动汽车因性价比高、维护使用成本低和节能环保等亦受到越来越多的使用[1]。

而永磁无刷直流电机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高和调速方案简单等优点，也在低速电动车（包括电动三轮车和电动四轮车）中得到广泛应用[2～3]。

本文设计的低速纯电动车主要在企业生产区、运动健身场所或商场楼宇等区域场地内使用，为了永磁无刷直流电机能使用于低速电动车中，根据低速电动车驱动电机的性能要求，对永磁无刷直流电机的电磁参数和结构进行计算确定，并应用Ansoft⁃RMxprt软件进行计算优化，然后在Maxwell 2D中建立静磁场电机模型，完成适合低速电动汽车驱动用电机的仿真研究。

永磁无刷直流电机的转子结构有内转子和外转子两种。

其中内转子结构转动惯量低，应用于快加速和快减速的场合，效果明显，同时定子散热条件较好[4～5]；电机内转子中的永磁体内置式结构对减少电枢反应的退磁和在高速运转时离心力的防护都有明显优势，该结构适用于电机的弱磁控制，可改善电机恒功率的速度范围，使之扩大[6～7]。

第56卷 第10期Vol. 56 No. 102018年10月October 2018农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2018.10.013开关磁阻电机非线性建模及转子极弧系数优化宗子淳1，张东东1，宗子淇2(1. 200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院；2. 221004 江苏省 徐州市 徐州医科大学)[摘要]选用开关磁阻电机作为四轮独立驱动电动汽车的驱动电机，根据电动汽车的需求，确定开关磁阻电机的设计参数。

利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell进行分析，得到磁链、电流和转子位置的关系曲线。

在MATLAB中建立磁链、电流和转子位置三维查表模块，利用反插值求得电磁转矩。

在MATLAB中建立电磁转矩、电流和转子位置三维查表模块。

运用机械运动方程和电压平衡方程。

在Simulink中搭建开关磁阻电机非线性模型。

针对开关磁阻电机转矩波动大的问题，提出通过优化转子极弧系数，降低转矩波动系数。

[关键词] 开关磁阻电机；电磁仿真；非线性建模；转矩波动；转子极弧系数[中图分类号] TM352 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2018)10-0049-05Nonlinear Modeling of Switched Reluctance Motor and Optimization of Rotor Pole-arc CoefficientZong Zichun1, Zhang Dongdong1, Zong Ziqi2(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Xuzhou Medical University, Xuzhou City, Jiangsu Province 221004, China）[Abstract] According to the requirements of electric vehicles, the design parameters of switched reluctance motor（SRM）, which is as the driving motor of Four-wheel Independent Drive Electric Vehicle, are determined. The 3D look-up table module of flux, current and rotor position is established in MATLAB on the basis of getting the relationship curve of flux, current and rotor position by using electromagnetic simulation software Ansoft Maxwell. The 3D look-up table module of electromagnetic torque, current and rotor position is established in MATLAB on the basis of electromagnetic torque obtained with inverse interpolation. The nonlinear model of SRM is established in Simulink by using mechanical motion equation and voltage balance equations. In order to reduce torque ripple factor, the rotor pole-arc factor is optimized.[Key words] switched reluctance motor; electromagnetic simulation; nonlinear model; torque ripple; rotor pole-arc factor0 引言随着汽车行业的快速发展，能源、环境问题的日益突出，电动汽车成为各个国家的重点战略方向。

基于Maxwell2D的开关磁阻电机特性仿真邱银;郝润科;赵龙;王磊【摘要】采用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell模块建立了开关磁阻电机的二维模型,并对其进行了有限元分析,得到了开关磁阻电机运行时的转矩、电流、功率等特性曲线,并且通过不同导通角的比较找到了电机运行时转矩脉动较小的控制角,这些工作为电机的实际运行控制提供了依据.%A two-dimensionnal model of the switched reluctance motor was established by using RMxprt and Maxwell2D from Ansoft corporation. Through finite element analysis of this SRM the torque, current, power curve of the switched reluctance motor were given at the run-time. By comparing different conduction angle, could get the control angel at which the motor' s torque ripple was smaller. All this work provided a basic foundation for the actual operation of the motor control applications.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2012(039)010【总页数】5页(P5-8,18)【关键词】开关磁阻电机;有限元分析;特性分析【作者】邱银;郝润科;赵龙;王磊【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TM3520 引言开关磁阻电机驱动系统是一种新型的机电一体化驱动装置，由开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)、功率变换器、位置传感器、控制器四个部分组成，具有结构简单，性能优越，调速性能可靠等优点，在电动车驱动、家用电器、航空工业等领域都有很好的应用前景。

基于ansoft的12/8极三相永磁同步电动机仿真分析（SPM）一、建模1、三相永磁同步电动机参数（1）定子选择菜单Draw->User Defined Primitive->SysLib->Rmxprt->SlotCore。

参数设置如下：（2）绕组选择菜单Draw->User Defined Primitive->SysLib->Rmxprt->SlotCore。

参数设置如下：（3）转子选择菜单Draw->User Defined Primitive->SysLib->Rmxprt->SlotCore。

参数设置如下：2、添加给定的硅钢材料定转子材料设置如下：材料名称为M19_29G。

选中Rotor和Stator，右击鼠标选择Assign Material。

改变RelativePermeability从“Simple”变为“Nonlinear”， 点击BH curve，添加数据如下：3、设置永磁体磁化方向永磁体磁化方向参考坐标系：在绘图区按下F改为选择Face。

选择永磁体，选择Create Face CS 图标，注意将R轴方向设置成与磁化方向一致，这样可以将不同磁化方向的永磁体选用相同的材料，即在材料属性中的-RComponet 均为1（否则需设置两种材料，这两种材料的区别仅在于-R Componet一个为1一个为-1）。

4、设置主从边界条件和励磁Ansoft中的Master/Slave边界是针对周期对称的，Master是主边界，Slave 是从边界，即从边界的场量等于（或者负等于）主边界，即可表达出沿圆边周而复始地重复变化的状况来。

注意：等于是指场量的幅值相等，方向相同；负等于是指场量的幅值相等，方向正好相反。

当你的求解区域为一个周期时则采用Slave=Master，若取半个周期，那就是Slave=-Master。

动态分析时的励磁：1、选中PhaseA1, PhaseA2, PhaseB1, PhaseB2, PhaseC1 and PhaseC2六项，右击鼠标选择Assign Excitation > Coil励磁，并逐个设置电流方向。