圆感应同步器电磁场仿真

同步感应线圈炮的三维电磁场模型研究陈学慧;曹延杰;王成学;王钊【摘要】同步感应线圈炮三维物理模型对电磁过程的仿真方案、仿真过程和仿真结果的影响很大.建立了单级同步感应线圈炮的三维电磁场数学模型,利用绞线圈和块导体建模法针对驱动线圈建立了3种不同的物理模型,结合外电路进行了场路耦合仿真,并开展了实验研究.结果表明,用模型和实物完全匹配的建模方法虽然建模过程复杂,但是仿真结果与实验结果更加接近,值得深入研究和探讨.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】5页(P13-17)【关键词】同步感应线圈炮;三维电磁场模型;驱动线圈;块导体【作者】陈学慧;曹延杰;王成学;王钊【作者单位】海军航空工程学院研究生管理大队,山东烟台 264001;海军航空工程学院指挥系,山东烟台 264001;海军航空工程学院指挥系,山东烟台 264001;海军航空工程学院研究生管理大队,山东烟台 264001【正文语种】中文【中图分类】TJ06线圈炮是利用洛伦兹力来加速弹丸的一种电磁装置[1-2]。

同步感应线圈炮是线圈炮的一种，所谓同步，是指利用驱动线圈的单级电流脉冲进行触发，有别于利用多级电流脉冲触发的异步感应线圈炮；所谓感应，是指线圈炮中电枢的电流由互感产生，有别于由导轨或电刷直接导入电流的螺旋线圈炮[3-5]。

有限元法是分析同步感应线圈炮的一种主流方法。

目前，针对同步感应线圈炮的有限元研究主要基于驱动线圈和电枢为轴对称的假设，有的进行二维仿真，如参考文献[6-8]，有的进行三维仿真，如参考文献[9-10]。

以上仿真虽然能得到与试验数据趋势一致的结果，但是在驱动线圈的计算中，将其作为同轴线圈考虑，忽略了线圈的非对称因素的影响。

这些非对称因素会导致电枢在线圈内运动时发生抖动或者摩擦，严重时甚至会引起发射失败。

若要完全考虑螺旋线圈的实际结构情况，则要受到有限元剖分技术等条件的限制，现有国内的电磁线圈炮数值计算中，还未有按实际螺旋结构分析计算的文献发表。

成套电器设备中电磁场仿真与电磁干扰控制在现代社会中，成套电器设备已经成为了现代生活的必需品。

然而，随着科技的不断进步，电磁场对于人类的生活和健康产生了越来越大的影响。

因此，对于成套电器设备中的电磁场进行仿真和控制显得尤为重要。

一、电磁场仿真电磁场仿真是通过运用计算机技术对成套电器设备中的电磁场进行模拟与计算的过程。

通过电磁场仿真可以帮助我们深入了解电磁场的分布情况，预测电磁场对周围环境的影响，从而提前采取相应的控制措施。

目前，电磁场仿真技术发展迅速，主要采用有限元法、有限差分法和无限辐射法等方法进行计算。

这些方法能够准确地计算出电磁场的强度、分布情况以及可能造成的干扰情况，为我们提供了全面的信息。

二、电磁干扰控制电磁干扰是指由电磁场引起的对其他电子设备正常工作的干扰。

在成套电器设备中，电磁干扰可能会导致设备性能下降、工作不稳定甚至故障等问题。

因此，我们需要采取一些措施来控制电磁干扰，确保设备的正常运行。

1. 在设计成套电器设备时，应尽量减少电磁场产生的强度。

可以通过合理的电源设计、电路布局以及电磁屏蔽等手段来降低电磁辐射。

2. 对于已经存在电磁干扰的设备，可以采用滤波器、隔离器等装置来抑制电磁干扰信号，保证其他设备的正常工作。

3. 在设备运行过程中，应及时监测电磁场的强度，并根据实际情况进行调整和控制。

通过远离敏感设备、合理布置电源线路等方式，降低电磁场对周围设备的干扰。

4. 做好设备之间的隔离工作，确保设备之间的电磁干扰不会相互干扰，从而提高整个成套设备的稳定性和可靠性。

5. 定期进行设备维护和检测，及时发现和修复可能出现的电磁干扰问题，保证设备的正常运行。

综上所述，成套电器设备中电磁场仿真与电磁干扰控制是非常重要的。

通过电磁场仿真可以帮助我们深入了解电磁场的分布情况，预测电磁场对周围环境的影响，并提前采取相应的控制措施。

通过采取一系列的控制措施，我们可以有效地减少电磁干扰，保证成套电器设备的正常运行，提高设备的稳定性和可靠性。

文章编号:１００４－２８９Ｘ(２０２２)０４－００６７－０５同步电机二维电磁场仿真分析张猛(辽宁轨道交通职业学院ꎬ辽宁㊀沈阳㊀１１００００)摘㊀要:在当前 双碳 目标的发展趋势下ꎬ新能源汽车日益增多ꎮ因此ꎬ提升电机效率㊁降低电机损耗成为同步电机的主要发展方向ꎮ本文首先介绍同步电机的结构和电磁参数ꎮ其次ꎬ根据实际情况建立同步电机二维模型ꎬ并通过Ｍａｘｗｅｌｌ软件对所建模型进行稳态电磁仿真实验ꎬ分析发电机的磁路走向㊁磁通密度和磁场强度ꎮ最后ꎬ基于电磁场理论ꎬ将麦克斯韦方程作为控制方程及边际条件ꎬ通过有限元法对同步电机进行电磁分析ꎮ通过添加时间步进行瞬态电磁场仿真实验ꎬ仿真负载电机输出功率与转矩ꎬ计算损耗和效率ꎬ分析在启动和空载下ꎬ电机内部磁场的分布和变化规律ꎮ关键词:电磁场分析ꎻ电机设计中图分类号:ＴＭ３４１㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:ＢＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｆａＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒＺＨＡＮＧＭｅｎｇ(ＴｈｅＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｒａｃｋＴｒａｆｆｉｃｏｆＬｉａｏｎｉｎｇꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆ"ｄｕａｌｃａｒｂｏｎ"ｔａｒｇｅｔꎬｎｅｗｅｎｅｒｇｙｖｅｈｉｃｌｅｓａｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄａｙｂｙｄａｙ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｏｔｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｍｏｔｏｒｌｏｓｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｔｈｅｍａｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ.Ｓｅｃｏｎｄｌｙꎬａｔｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬａｎｄＭａｘ￣ｗｅｌｌｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｓｔｅａｄｙ￣ｓｔａｔｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｍｏｄｅｌｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃ￣ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｙꎬｍａｘｗｅｌｌ'ｓｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｇｏｖｅｒｎｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍａｒｇｉｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎꎬａｎｄｅｌｅｃ￣ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎬｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｍａｇｎｅｔｉｃｐａｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎬｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ.Ｔｈｅｌｏｓｓａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕ￣ｔｉｏｎａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｕｎｄｅｒｓｔａｒｔｉｎｇａｎｄｎｏｌｏａｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓꎻｍｏｔｏｒｄｅｓｉｇｎ１㊀引言近年来ꎬ随着新能源汽车的快速发展ꎬ提高电池与电机性能成为新能源汽车的研究重点ꎮ永磁同步电机具有功率密度大㊁效率高等特点ꎬ在电动汽车领域快速发展ꎮ鉴于当前国内电机生产厂家使用的电机计算机辅助设计所存在的不足ꎬ本文基于电磁场理论ꎬ以有限元方程的角度研究同步电机的电磁分析ꎬ研究总结设计参数对电磁分布的影响ꎬ可为电机设计领域提供一定程度的参考ꎬ具有一定的市场前景ꎮ㊀㊀我国在电动汽车方面的研究始于２０世纪８０年代ꎬ近年来ꎬ我国在电机技术方面取得了显著成效ꎮ㊀㊀在２０１５年ꎬ日本丰田公司引进Ｖ形转子结构的永磁同步电动机ꎬ其转子磁路结构经过改良ꎬ每分钟可旋转１７０００ｒꎬ最高功率５３ｋＷꎮ２０１３年ꎬ德国ＢＭＷ公司生产的内置式永磁同步电机ꎬ通过将磁阻式同步电动机与永磁同步电动机相结合ꎬ并在此基础上设计出一种块式斜极型磁极ꎬ有效减少了转矩波动ꎮ其峰值功率为１２５ｋＷꎬ最高转速为１１４００ｒｐｍꎮ美国Ｔｅｓｌａ公司于２０１７年推出一款名为Ｍｏｄｅｌ３的电动车ꎬ其驱动马达为１９２ｋＷ的永磁同步电动机ꎬ通过在定子铁心轭处挖掘大量油槽ꎬ以增强其冷却效果ꎮ㊀㊀本文根据同步电动机设计的基础理论ꎬ通过分析和研究同步电机的设计思想㊁工作原理和整体结构ꎬ并结合麦克斯韦方程组推导出电机内电磁场的控制方程ꎬ运用Ｍａｘｗｅｌｌ对同步发电机的磁力线㊁磁密㊁磁场强度以及某气隙路径下的磁感应强度曲线等进行分析ꎮ最后添加时间步ꎬ对模型进行瞬态电磁仿真ꎬ观测输出转矩和旋转磁场的变化情况ꎮ２㊀同步电机工作原理２.１㊀同步电机结构㊀㊀凸极同步电动机结构如图１所示ꎮ图１㊀同步电机结构图㊀㊀同步电动机由定子和转子两个部件组成ꎬ定子是电动机的静态部件ꎬ由铁心㊁绕组和底座三个部件组成ꎮ转子根据结构的不同ꎬ可分为直流励磁和无需励磁两种ꎮ２.２㊀工作原理㊀㊀如图１所示ꎬ定子三相绕组与三相交流电连接ꎬ形成电枢转动磁场ꎮ同步电机的电磁转矩与电枢磁极轴和转子磁轴的角度有关ꎬ当外加电压和电机的励磁电流相同时ꎬ在某一特定的范围内ꎬ随着角度的增大ꎬ电机的电磁转矩也会增大ꎮ２.３㊀数学模型㊀㊀(１)坐标变换在对同步电动机进行数学建模时ꎬ通常采用三相静止坐标系㊁两相静止坐标系和两相同步转动坐标系ꎮ图２显示了三种座标系统ꎬＡＢＣ是三相静态座标系ꎬ而阿尔法－β是两相固定座标系统ꎬｄ－ｑ是两相转动座标系ꎮ图２㊀三种坐标示意图㊀㊀将三相静态座标系统ＡＢＣ转换成两相静态座标系统的座标转换为Ｃｌａｒｋ转换ꎬ由上面ＡＢＣ座标系和两相静态座标系αβ之间的关系ꎬ得到了由方程式(１)表示的座标转换式:[ｆαｆβｆ０]＝Ｔ３π/２ｓ[ｆＡｆＢｆＣ]Ｔ(１)式中:Ｔ３π/２ｓ为ｃｌａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀将两相静止座标系统转换成ＡＢＣ的转换叫做反克莱克转换ꎬ它可以由以下几种形式来表达:[ｆＡｆＢｆＣ]＝Ｔ２π/３ｓ[ｆαｆβｆ０]Ｔ(２)式中ꎬＴ２π/３ｓ为反ｃｌａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎬ可表示为:㊀㊀将两相静态座标系统中的ａβ转换成两相同步转动座标系统ｄｑ的座标转换为Ｐａｒｋ转换ꎬ按照图１ꎬ由方程式(３)表示的ａβ和ｄｑ座标系统的关系ꎮ[ｆｄｆｑ]Ｔ＝Ｔ２ｓ/２ｒ[ｆａｆβ]Ｔ(３)式中ꎬＴ２ｓ/２ｒ为Ｐａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀将两相转动座标ｄｑ转换成两相固定座标系统ꎬａβ的坐标转换ꎬ称为反向帕克转换ꎬ它可以用以下方式来表达:[ｆαｆβ]Ｔ＝Ｔ２ｒ/２ｓ[ｆｄｆｑ]Ｔ(４)式中ꎬＴ２ｒ/２ｓ为反Ｐａｒｋ变换的坐标变换矩阵ꎮ将三相静态座标系统ＡＢＣ转换为同步转动座标系统ｄｑꎬ每个变量之间的关系如下:[ｆｄｆｑｆ０]Ｔ＝Ｔ３ｓ/２ｒ[ｆＡｆＢｆＣ]Ｔ(５)式中ꎬＴ３ｓ/２ｒ为坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀将两相转动座标系统ｄｑ转换为三相静态座标系ＡＢＣꎬ每个变量之间的关系如下:[ｆＡｆＢｆＣ]Ｔ＝Ｔ２ｒ/３ｓ[ｆｄｆｑｆ０]Ｔ(６)式中ꎬＴ２ｒ/３ｓ为坐标变换矩阵ꎮ㊀㊀(２)反电动势同步电机数学模型㊀㊀在三相静态座标系ＡＢＣ下ꎬ同步电动机定子侧三相绕组的电压方程式如下:ｕｓ＝Ｒｓｉｓ＋ｄψｓｄｔ＝Ｒｓｉｓ＋ｄψＬｓｄｔ＋ｄψｆｓｄｔ(７)㊀㊀定子电压方程式可由以下公式来表达:ｕｄ＝Ｒｉｄ＋Ｌｄｄｉｄｄｔ－ωｅＬｑｉｑ＋ｅｄｕｑ＝Ｒｉｑ＋Ｌｑｄｉｑｄｔ－ωｅＬｄｉｄ＋ｅｑìîíïïïï(８)利用电磁功率Ｐｅ及机械角速度ｗｍꎬ可求出永磁同步电动机的电磁力矩ꎬ其电磁力矩可由下列公式求出:Ｐｅ＝３２ＥＴｉｄｑ＝３２－ωｅＬｑｉｑ＋ｅｄωｅＬｄｉｄ＋ｅｑéëêêùûúúＴｉｄｑ(９)式(９)中的Ｅ为感应电动势ꎮ㊀㊀电磁转矩Ｔｅ与电磁功率Ｐｅ和机械角速度ｗｍ的关系如下:Ｔｅ＝Ｐｅωｍ(１０)３㊀电磁场有限元理论３.１㊀电磁场基本理论㊀㊀马斯韦尔方程是电－电－电磁场的基本原理ꎬ它包括阿帕尔回路定律㊁法拉达定律㊁高斯定律㊁磁通量连续性定律ꎮ㊀㊀(１)安珀环律:在磁场中ꎬ沿着封闭环Ｈ的直线积分等于通过积分通道所决定的表面的电流之和ꎬ对于表面积分ꎬ电流密度用以下公式表示:ɥΓＨｄｌ＝∬ΩＪ＋∂Ｄ∂ｔ()ｄＳ(１１)㊀㊀式中:Ｈ为磁场强度(Ａ/ｍ)ꎻＪ为传导电流密度矢量ꎮ㊀㊀(２)法拉达法则:磁场的改变与改变的磁场可以彼此产生ꎬ具体表示如下:ɥΓＥ⇀ ｄｌ⇀＝－∬Ω∂Ｂ⇀∂ｔｄＳ⇀(１２)式中ꎬＥ为电场强度(Ｖ/ｍ)ꎮ㊀㊀(３)高斯定律:在一个封闭的表面上ꎬ不管电介体和电通量的分布是怎样的ꎬ通过一个封闭的表面的电通量等于封闭表面所包含的电荷ꎬ即∯ＳＤ－ ｄＳ－＝∭ＶρｄＶ(１３)式中ꎬＤ为电位移(Ｃ/ｍ２)ꎻρ为电荷体密度(Ｃ/ｍ３)ꎻＶ为闭合曲面Ｓ所包围的三维区域ꎮ３.２㊀有限元建模㊀㊀有限元分析计算的具体步骤如图３所示ꎮ图３㊀计算流程图３.２.１㊀假设条件㊀㊀为使模拟模型的简化ꎬ在保证计算精度的前提下ꎬ进行如下简化:㊀㊀(１)电机的轴向是无穷大ꎬ把有关问题的求解转化为二维ＸＹ坐标系统ꎻ㊀㊀(２)定子铁心区的附加磁导是无限大的ꎻ㊀㊀(３)不考虑位移电流ꎮ３.２.２㊀建模与赋材料属性㊀㊀在上述假设条件下ꎬ所建模型如图４所示ꎮ图４㊀电机模型图㊀㊀在建立了电机的简化模型后ꎬ对模型的材质进行了分析ꎮ其中ꎬ定子㊁转子绕组㊁槽楔区㊁空隙段的相对磁导率为１ꎬ定子和转子铁心的材质为Ｌ８００＿６５ꎮ为了进一步提高数值模拟的准确性ꎬ在进行模型切割之前ꎬ先将空气间隙分为两个层次ꎮ３.２.３㊀网格剖分㊀㊀文中使用ＰＬＡＮＥ５３六结点三角形单元进行了网格的分割ꎮ由于气隙长度较短ꎬ网孔密度较大的区域主要集中在气隙区和齿槽区ꎬ其余部分则比较松散ꎮ３.２.４㊀边界条件㊀㊀在二维静止电磁场中ꎬ向量磁位ＡＺ的方程式:∂∂ｘ１μ∂Ａｚ∂ｘæèçöø÷＋∂∂ｙ１μ∂Ａｚ∂ｙæèçöø÷＝－Ｊｓ(１５)式中ꎬμ为相对磁导率ꎻＡｚ为矢量磁位ꎻＪｓ为外加的源电流密度ꎮ３.２.５㊀加载与求解㊀㊀负载电流的方向是:正向Ｚ轴是正的ꎬ逆向是负的ꎮ加载电流密度的定子导电区:Ｊ１＝２Ｎ１ＩＮａ１Ｓ１(１６)式中ꎬ Ｎ１为定子绕组每槽导体数ꎻＩＮ为定子额定电流ꎻａ１为定子绕组并联支路数ꎻＳ１为定子导体截面积ꎮ㊀㊀转子导电区加载的电流密度为:Ｊ２＝Ｎ２Ｉｆａ２Ｓ２(１７)式中ꎬＮ２为转子绕组每槽导体数ꎻＩｆ为励磁电流ꎻａ２为转子绕组并联支路数ꎻＳ２为转子导体截面积ꎮ３.２.６㊀后处理㊀㊀图５中显示了沿顺时针方向的空气间隙的轨迹图ꎬ它开始于Ａꎬ经过半个循环后抵达Ｂ点ꎮ图５㊀气隙路径㊀㊀在后处理过程中可以获得基波气隙磁通密度的幅值Ｂδꎬ每极磁通的最大值Φｍ为:Φｍ＝２πＢδＳτ(１８)式中ꎬΦｍ为每极磁通最大值ꎻＢδ为基波气隙磁通密度幅值ꎻＳτ为每极磁通面积ꎮ㊀㊀每相感应电动势Ｅ０为:Ｅ０＝２πｆＷ１ｋｄｐ１Φｍ(１９)式中ꎬｆ为频率ꎻＥ０为每相感应电动势ꎻＷ１为定子每相串联总匝数ꎻｋｄｐ１为定子线圈基波绕组因数ꎮ４㊀有限元电磁仿真分析４.１㊀定子㊁转子及阻尼建模过程㊀㊀此过程利用ＡＮＳＹＳＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｓｋｔｏｐ中搭建同步电机模型ꎬ于其中的ＲＭｘｐｒｔ模块可输入电机定子㊁转子尺寸数据快速建模ꎬ对建好的模型可仿真分析其具体性能参数ꎬ并将建好的模型一键导入ＭＡＸＷＥＬＬ中进行电磁分析ꎮ㊀㊀(１)定子图６㊀定子模型示意图㊀㊀(２)转子㊀㊀转子模型如图７所示ꎮ图７㊀转子模型４.２㊀仿真分析４.２.１㊀空载仿真分析㊀㊀采用有限元方法对同步电机的空载进行有限元分析ꎬ主要研究电机的定子㊁气隙的磁密㊁转子部分的磁密和磁力线的分布ꎬ并根据模拟的结果ꎬ对电机的基本性能有一个初步的认识ꎮ模拟同步电机在空载状态下ꎬ转子励磁部分的磁线分布是否合理以及计算额定转速下定子线圈所感应出的电枢电动势ꎮ运用Ｍａｘｗｅｌｌ软件进行分析ꎮ㊀㊀Ｍａｘｗｅｌｌ根据ＲＭｘｐｒｔ模块所建模型自动建立电磁分析模型及各空气域模型ꎬ同时根据ＲＭｘｐｒｔ模块中所计算的基本参数作为激励自动输入模型中ꎮ㊀㊀选择Ｍａｘｗｅｌｌ的计算模型为瞬态计算ꎬ将最外层空气域的边界设置为０向量边界ꎬ模拟实际边界条件ꎬ激励处将三相激励设置成数值为０的电流源模拟定子侧开路ꎮ４.２.２㊀电机负载电磁仿真分析㊀㊀考虑机械特性下同步电机的负载仿真分析即模拟真实状况下同步电动机的启动至稳定过程的电磁分析ꎮ㊀㊀图８为不同时间步下电机的磁场分布云图ꎬ仿真时间为０.２ｓꎬ每个时间步为０.０００２ｓꎬ共计算１０００次ꎮ观察同一时刻的电磁分布可以看出磁密分布随时间而变化ꎮ图８㊀电机磁密分布图㊀㊀图９是在无负载情况下ꎬ同步电动机的磁密度分布ꎬ从该图中可以看出ꎬ该电动机具有较好的磁密尺寸ꎬ其定子磁密约为１.５ꎬ并且在转子内㊁气隙区域具有较高的磁场强度ꎮ图９㊀电机磁密分布云图㊀㊀上述结果体现了转子添加转动惯量后ꎬ电机启动时电气参量会发生剧烈波动变化ꎮ图１０为电机转矩变化曲线ꎮ电机启动过程要经历一段剧烈波动的过程ꎬ其波动状况对比理想状态要剧烈的多ꎬ且趋于平稳的变化时间相对变长ꎮ考虑机械特性下电机的运动过程较为剧烈ꎬ原因在于ꎬ转动惯量的存在使电机启动过程中的机械转矩持续变化ꎬ导致定子电流随之变化从而产生大于机械转矩的电磁转矩使转子转速进一步上升ꎬ待转子转速上升一定值时ꎬ转动惯量作用下的机械转矩变化也趋于线性变化ꎬ使定子电流的变化趋于稳定ꎬ逐渐上升至额定状态ꎮ图１０㊀考虑机械特性下电机转矩变化曲线５㊀结论㊀㊀本文基于电磁场理论ꎬ根据有限元方程对同步电机的电磁场进行分析ꎬ推导出以麦克斯韦方程为基础的同步电机电磁场控制方程及边界条件ꎮ通过建立同步电机二维仿真模型ꎬ借助Ｍａｘｗｅｌｌ软件对所建模型进行稳态电磁仿真实验ꎬ分析电机的磁路走向㊁磁通密度和磁场强度ꎮ最后添加时间步进行瞬态电磁场仿真实验ꎬ仿真负载电机输出功率与转矩ꎬ分析电机在空载与负载状态下内部磁场的分布规律和变化规律ꎬ得出以下结论:㊀㊀空载状态下ꎬ电动机内部的磁场是由转子的励磁线圈产生的恒磁场ꎬ随着转子的转动而旋转ꎬ定子线上的感应电动势保持在电动机额定电压的范围之内ꎮ㊀㊀负载状态下ꎬ对电机在初速度为０下启动时进行仿真ꎮ由电磁分析结果得出ꎬ电机在真实条件下启动时转子转矩的变化情况ꎮ可通过添加机械特性的负载状态研究电机启动的效率和性能ꎮ参考文献[１]㊀马少丽ꎬ程普ꎬ刘慧敏.基于有限元法的车用永磁同步电机电磁场分析[Ｊ].科技风ꎬ２０２０ꎬ(３２):９３－９４.[２]㊀陈亮.高温高功率密度永磁同步电机设计及分析[Ｄ].浙江理工大学ꎬ２０２０.[３]㊀刘鹏.永磁同步电机的电磁－温度耦合及振动噪声分析研究[Ｄ].辽宁工业大学ꎬ２０２０.[４]㊀张勇.永磁同步电机多物理场及电磁参数优化研究[Ｄ].郑州轻工业大学ꎬ２０２０.[５]㊀刘鹏ꎬ张晶硕ꎬ刘儒ꎬ等.基于有限元法的永磁同步电机电磁场分析[Ｊ].汽车实用技术ꎬ２０１９ꎬ(１７):６６－６７.[６]㊀崔洪玮.偏心故障内置式永磁同步电机电磁场分析与诊断方法研究[Ｄ].哈尔滨工业大学ꎬ２０１９.[７]㊀邓佳慧.单相自起动永磁同步电机的电磁与振动分析[Ｄ].哈尔滨理工大学ꎬ２０１９.[８]㊀高尉.车用永磁同步电机电磁性能及其振动噪声分析[Ｄ].重庆交通大学ꎬ２０１９.[９]㊀范景华.永磁同步电机电磁干扰特性及建模方法研究[Ｄ].电子科技大学ꎬ２０１９.[１０]㊀彭程.低地板车用直驱永磁同步电机电磁场和温度场分析[Ｄ].北京交通大学ꎬ２０１８.收稿日期:２０２２－０６－２３。

高精度测角系统及编码器 -- 圆感应同步器设备概述：高精度测角系统及编码器的传感探头是圆感应同步器，圆感应同步器是一种电磁感应位置检测元件，由定、转子两个分部件组成，通过定、转子多极平面绕组的互感随位置变化的电磁感应原理实现高精度角度测量。

圆感应同步器是一种以金属为基体的传感元件，从而使得基于它的整个测角系统具有极高的可靠性，基于圆感应同步器的高精度测角系统的特性主要体现在如下几个方面：（1）测角精度高，可达到±3″（峰峰值6″）。

（2）对温度的影响不敏感，可在-40°~+85°的温度范围内工作，其中传感器探头部分可承受不低于-55°~+100°的工作温度。

（3）耐强冲击，振动。

（4）耐真空，可在1×10-3Pa的真空环境下正常工作。

（5）耐油、液体、灰尘、污垢、盐雾等。

鉴于圆感应同步器的诸多优点，基于它的测角系统在国外历来为军方角度传感器的首选，尤其在美、日、欧等发达国家的航空航天领域被广泛应用。

世界闻名的哈勃望远镜内部就采用了圆感应同步器作为角度传感元件。

基于圆感应同步器的高精度测角系统及编码器可广泛应用在如下领域：回转工作台、各类机床设备、惯导测试转台、电机、天文望远镜、惯性导航系统等。

设备结构：一、测角系统测角统包括传感探头以及处理电路（含测角盒与前放盒）两个部件，传感探头即圆感应同步器，其基体为铝材，又包括定子、转子两部分，其中定子安置在固定位置上，转子安装在旋转轴上，通过转子与定子的相对旋转运动所引起的电磁信号变化进行角度的测量。

测角系统工作时，输出代表角度值的RS422串口信号（或A、B、Z相脉冲信号），传感器每周有一个机械绝对零位（选择RS1或ZS1触发通信模式即可实现此功能）。

主要性能指标：（1）测角精度：±3″~±15″（峰峰值6″~30″）（2）转角范围：360°连续（3）工作温度：0℃~50℃（C级）；-20℃~55℃（I级）1.1系统组成图1.1 测角系统组成图1.2产品使用说明及参数规格表1、传感器探头；2、线缆L1；3、线缆L2；4、前放盒；5、线缆L3；6、测角盒；7、线缆L4。

感应同步器电磁仿真感应同步器是一种常见的电磁设备，用于实现电能的传输和转换。

它利用电磁感应原理和同步技术，将电能从发电机传输到负载中，以实现电能的有效利用。

在电力系统中，感应同步器起着至关重要的作用。

它可以将发电机的输出电能与电网的频率和相位进行同步，以确保电能的稳定传输和供应。

感应同步器通过调整其电磁参数，使得发电机的输出电压和频率与电网保持一致，从而实现两者之间的同步。

感应同步器的核心部件是转子和定子。

转子是一个旋转的部件，通常由导体制成，它与发电机的转子相连。

定子是一个固定的部件，通常由线圈制成，它与电网相连。

当发电机转子旋转时，它会在定子上产生一个旋转磁场。

由于电磁感应的作用，定子上的线圈会感应出电流，并产生一个与转子磁场同频率的电磁场。

这个电磁场会与电网的电磁场相互作用，使得发电机的输出电能与电网同步。

为了实现感应同步器的电磁仿真，需要使用电磁仿真软件。

电磁仿真软件可以模拟感应同步器的电磁场分布、电流分布和电压分布等参数。

通过调整感应同步器的结构和参数，可以优化其电磁性能，提高电能传输的效率和稳定性。

在进行电磁仿真时，需要考虑多个因素。

首先是感应同步器的结构设计。

感应同步器的结构应该合理，以确保电磁场的分布和电流的传输符合设计要求。

其次是感应同步器的材料选择。

不同的材料具有不同的电磁特性，对电磁场的分布和传输有着重要影响。

因此，在进行电磁仿真时，需要选择适合的材料，以提高感应同步器的效率和性能。

还需要考虑感应同步器的工作条件。

感应同步器在工作过程中会受到电流、电压和温度等因素的影响。

因此，在进行电磁仿真时，需要考虑这些因素，并进行相应的参数调整和优化，以确保感应同步器的稳定工作。

感应同步器电磁仿真是一项重要的技术，可以用于优化感应同步器的电磁性能，提高电能传输的效率和稳定性。

通过合理设计感应同步器的结构和材料，并考虑其工作条件，可以实现感应同步器与电网的同步，以确保电能的有效利用。

电磁仿真技术的应用将进一步推动感应同步器的发展，并为电力系统的运行和管理提供支持。

实验二：恒定磁场的仿真一、实验目的：1、熟悉Ansoft Maxwell 软件的使用方法2、掌握使用Ansoft Maxwell软件仿真恒定磁场的方法3、了解恒定磁场的基本原理二、实验设备安装有Ansoft Maxwell 软件的计算机三、实验内容1、环电流的磁场仿真。

圆环的半径为2mm，环中通过的电流为1A，仿真计算磁场分布和电感值。

2、亥姆霍兹线圈的磁场仿真。

两线圈的半径均为2mm，两线圈中通过的电流均为1A，仿真计算磁场分布、自感和互感、以及两线圈所受到的力。

3、无限长同轴电缆的磁场仿真。

无限长同轴电缆的内导体半径为0.2cm，外导体半径为0.8cm，内外导体之间为真空。

该同轴电缆中通过1A电流，仿真计算磁场分布和同轴线的电感。

四、实验方法原理1、恒定磁场：是由恒定电流激发的，是电磁场的一种重要的和特殊的形式。

2、Ansoft Maxwell 软件采用有限元法进行数值计算。

五、实验步骤1、环电流的磁场仿真。

（1）点击PROJECTS/New创建一个新的项目，命名为：×××，Type: Maxwell 2D V ersion 10 (或其它2D版本)，点击OK.（2）Solver: Magnetostatic; Drawing: RZ Plane.选择Plane 的依据参见下图，下图为Maxwell 2D可以仿真的两种结构，都是轴对称的结构。

XY Plane 是对称轴垂直画面的，而RZ Plane 的对称轴是平行于画面的。

（3）点击Define Mode l → Draw Model，在2D Modeler中，绘制几何结构。

选择单位：Model→ Drawing Units→ mm。

在该窗口中，根据仿真的实际结构尺寸设置绘图Background的尺寸，画一半径为2mm的圆，实际的结构则为绕V 轴的环电流。

（4）进入Setup Materials定义物体的材料属性。

基于Creo/Simulate的高低温下感应同步器绕组间距变化研究占宏伟,胡勇翔,张洪征（北京航天计量测试技术研究所，北京100076）摘要：利用Creo/Simulate模块对某温控三轴转台进行温度载荷下的有限元分析，得出感应同步器绕组间距在高低温下的变化值。

通过分析绕组间距变化的原因，提出了采用材料变化补偿的方法，减小了感应同步器在高低温下的绕组间距变化量，提升了输出信号的稳定性，解决了温控三轴转台角度位置显示值波动过大的问题。

对于温控三轴转台的设计和感应同步器在高低温下的应用具有指导作用。

关键词：三轴转台；感应同步器；Creo/Simulate中图分类号:TB922文献标志码:A文章编号：1002-2333（2020）06-0064-04 Research on Pitch Winding Change of Induction Synchronizer at High andLow Temperature Based on Creo/SimulateZHAN Hongwei,HU Yongxiang,ZHANG Hongzheng（Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing100076,China）Abstract:The Creo/Simulate module is used to perform finite element analysis of a temperature-controlled three-axis turntable under temperature load.The change value of the induction synchronizer pitch winding at high and low temperatures is obtained.By analyzing the causes of pitch winding changes,a method of material change compensation is proposed to reduce the amount of pitch winding changes of the induction synchronizer at high and low temperatures and improve the stability of the output signal.The problem of the angular position displayed value excessive fluctuation of the temperature-controlled three-axis turntable was solved.It has a guiding role in the design of temperature-controlled three-axis turntables and the application of induction synchronizers at high and low temperatures.Keywords:three-axis turntable;induction synchronizer;Creo/Simulate0引言三轴转台是航空、航天等领域中对惯导系统进行地面半实物仿真和测试的关键设备，其主要作用是对惯导系统进行姿态、位置模拟及速率测试，其角度测量系统是整个系统的角位置读出装置，同时也是位置反馈通道，系统控制精度主要取决于角度测量系统的精度。

电磁感应无线充电的联合仿真研究一、概述随着科技的快速发展，无线充电技术以其便捷性和高效性逐渐受到广泛关注。

特别是电磁感应无线充电技术，其基于法拉第电磁感应定律实现电能的无接触传输，已成为当前研究的热点。

无线充电技术的实际应用仍面临许多挑战，如传输效率、安全性、系统稳定性等问题。

对电磁感应无线充电技术进行深入研究和优化显得尤为重要。

联合仿真作为一种有效的研究手段，能够综合考虑无线充电系统的多个因素，如线圈设计、电磁场分布、能量传输效率等，从而更准确地预测和评估系统的性能。

通过联合仿真，我们可以对无线充电系统进行全面的优化设计，提高传输效率，降低能量损耗，提升系统的稳定性和安全性。

本文旨在通过联合仿真研究电磁感应无线充电技术，探讨其关键技术和影响因素。

我们将首先介绍电磁感应无线充电的基本原理和系统组成，然后分析联合仿真的基本方法和流程，最后通过具体案例展示联合仿真在电磁感应无线充电研究中的应用和效果。

本文的研究结果将为电磁感应无线充电技术的发展提供有益的参考和指导。

1. 无线充电技术的背景与意义随着科技的不断进步和人们对便捷生活的追求，无线充电技术应运而生，成为近年来备受关注的研究热点。

该技术源于无线电力输送理论，利用电磁感应或磁共振原理，实现电能从充电设备到接收设备的非接触式传输。

无线充电技术无需传统的充电线缆和接口，不仅提高了充电的便捷性，还避免了线缆磨损、接口老化等问题，为现代电子设备的使用带来了革命性的变革。

无线充电技术的意义不仅在于其便利性，更在于其对整个科技行业、零售行业、服务供应商和消费者带来的深远影响。

对于科技行业来说，无线充电技术有助于推动移动设备、智能家居、物联网等领域的快速发展。

随着越来越多的设备支持无线充电，行业内的技术创新和竞争也将更加激烈。

对于零售和服务行业来说，无线充电技术的普及将促使公共场所如咖啡馆、机场、饭店等设置无线充电站，为消费者提供更加便捷的服务体验，同时也为商家提供了增值服务的机会。