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基于Ansoft的永磁同步电机建模与仿真李周清【摘要】采用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell 2D模型建立永磁同步电机模型,给出了电机的输入变换电路,构建一个完整的仿真系统.通过对PMSM模型的有限元分析,得出反电动势曲线,以及随转子位置变化的转矩及磁场分布情况.仿真结果为PMSM的优化设计及进一步研究提供了理论依据.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2012(041)004【总页数】5页(P35-39)【关键词】永磁同步电机;有限元法;仿真分析;Ansoft【作者】李周清【作者单位】广汽汽车集团汽车工程研究院,广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TP391.721 引言目前新能源汽车用动力电机系统主要采用直流电机系统、永磁同步电机系统、感应电机系统和开关磁阻电机系统。
因永磁同步电机的高功率/扭住密度和效率特性，成为最佳的选配产品。
对于结构空间紧凑和质量轻型化的汽车而言，优势更为明显。
永磁同步电机广泛应用，它具有下列优点：无电刷和滑环，降低了转子损耗，从而可以得到较高的运行效率；同样体积的电机，永磁式电机可输出更大的功率；转子转动惯量小，可以获得较高的加速度；动态响应时间减少；转矩脉动小，可以得到较稳定的转矩，尤其在极低的速度下也能满足高精度位置控制的要求；零转速时有控制转矩；调速范围宽，高效率区区域大，功率因数高；电机重量轻。
高性能、结构紧凑、质量轻、制作工艺简单、成本低，是开发设计的目标。
在传统电机设计中，习惯把电机的分析和计算归纳为电路和磁路的问题，实践中，电路和磁路中的各参数是由电机电磁场的场量得来的，对于磁路结构复杂的永磁电机，这种方法难以得到准确的磁路计算结果[1]。
随着数值计算的仿真技术的发展，可以直接使用有限元方法对电机及电磁场进行分析和计算，从而获得更精确的数据。
2 仿真应用手段2.1 静态分析软件的作用电机运行模型可等效为电阻、电感串并联电路。
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。
ANSYS在电力行业的分析应用摘要：本文主要介绍了大型分析软件ANSYS在电力行业的应用，包括零件静力场形变及应力的校核，绝缘子电场和压降情况的分析，最后主要分析介绍了母线安装板的涡流损耗情况，以准确的数据量化现场的各种问题。
关键词：ANSYS；应力；静电场；电磁场；涡流损耗；1 引言ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件,是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD）软件接口，实现数据共享和交换。
ANSYS软件功能强大，不仅可以在结构场，温度场，电磁场，流体场单独分析，还可以做多物理场耦合分析，因此可以很好的解决电力行业的很多问题，包括结构问题、绝缘问题，温升问题以及涡流损耗问题等。
2 ANSYS在结构场分析的应用2.1 问题的产生断路器是电柜的主要元件，其主要作用是开断和关合电流。
断路器结构比较复杂，质量高达几百千克。
导轨是用来承载断路器的，为保证断路器工作的稳定性，就需要对导轨的受力及变形量进行分析，看其是否满足最大形变量小于1mm 的要求。
将导轨的模型、材料（铝合金），受力约束导入ANSYS软件分析，计算结果如下：由分析可知，最大变形量为0.6mm，小于1mm，在弹性变形的范围内，导轨不会发生不可恢复的塑性变形，满足设计要求。
3 ANSYS在静电场分析的应用3.1 静电场分析的应用场合ANSYS静电场分析用以确定由电荷分布或外加电动势所产生的电场和电压分布，通过分析出的静电场和和各个截面的压降情况，结合电力行业的绝缘标准，判断产品的绝缘性能是否达到要求。
3.2 GIS绝缘子的静电分析GIS开关设备电压等级高达110KV以上，其绝缘性能相当关键。
如果绝缘性能达不到，将会对国家和个人的生命财产安全带来很大威胁。
本节将对承载高压母线的绝缘子做静电分析，分析其静电场和电压分布情况。
静电绝缘子的结构如下图所示：中部的三个凸起为高压母线，镶嵌在绝缘子里。
基于Ansoft的电机仿真分析【摘要】根据电机原理和结构特点，利用ansoft公司的maxswell 系列软件的高精度仿真计算能力，建立电机的仿真模型，对电机性能仿真模拟。
最终通过仿真结果来修正部分参数以及参数优化设计，为电机设计提供便利条件。
【关键词】电机性能仿真模拟优化设计【中图分类号】 o44 【文献标识码】a1引言设计过程中，为了减少试验次数，降低开发成本，缩短开发周期，提高产品设计质量，设计人员需要一种能对所做的设计进行快速、精确评价分析的工具，而不在仅仅依靠以往积累的知识经验及实验验证[1]。
ansoft系列软件高精度计算能力使得仿真结果与实际试验结果具有一致性。
本次采用rmprxt和maxwell相结合进行仿真。
rmprxt直观的界面能方便的输入定子、转子、和铁芯的几何形状、绕组结构、材料特性和机械负荷类型的电动机专门数据、快速得到在稳态，无负荷，全负荷，额定工况电流、转矩和效率曲线图和参数。
同时能自动确定最小几何槽型，为绕组选择合适的线径，能maxwell结合而作为有限元分析的前处理器[2]。
将它作为设计人员的工具，可以分析电机固定参数设计的合理性，电机动态过程，电机参数的精确性。
设计人员可以快捷地实现“设计-校核-再设计”，为电机设计提供良好的平台。
本文对一个三相异步电机建模、仿真，并分析其性能。
2建模与仿真2.1有限元模型建立在rmxprt环境下对电机数据输入，并计算。
然后利用maxwell 并根据计算结果自动生成有限元模型。
有限元建模以及计算的步骤如下[3]：（1）生成有限元模型。
（2）确定电机材料属性。
（3）设立边界条件和外激励条件。
（4）确定动态参量。
（5）设定求解内容。
（6）求解和结果后处理。
输入和计算所得到的电机主要参数如表1所示。
根据计算结果自动生成的电机有限元模型。
2.2基本性能参数仿真结果建立有限元模型后，根据不同的仿真目标选择计算正确算法，边界条件，外激励条件等内容的选择。
有限元分析软件及应用有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种工程力学的数值计算方法，用于模拟和分析材料或结构在力学、热学、流体力学等领域的行为。
有限元分析软件是用于进行有限元分析的工具，提供了对复杂问题进行建模、求解和分析的功能。
下面将介绍几种常用的有限元分析软件及其应用。
1. ANSYS：ANSYS是全球领先的有限元分析软件之一，适用于多个领域，如结构力学、流体力学、电磁场等。
在结构分析方面，ANSYS可以进行静力学、动力学、疲劳分析等，可应用于航空、汽车、能源、医疗等行业。
2. ABAQUS：ABAQUS是另一个广泛使用的有限元分析软件，适用于结构、热、流体、电磁等多个领域的分析。
ABAQUS提供了丰富的元件模型和边界条件，可以进行复杂结构的非线性、瞬态、热源等分析，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
3. MSC Nastran：MSC Nastran是一款专业的有限元分析软件，主要用于结构和动力学分析。
它提供了丰富的分析和模拟工具，可进行静力学、动力学、疲劳分析等。
MSC Nastran广泛应用于航空、汽车、船舶等领域，具有较高的准确性和可靠性。
4. LS-DYNA：LS-DYNA是一款用于求解非线性动力学问题的有限元分析软件。
它可以进行结构和流体的动态响应分析，主要应用于汽车碰撞、爆炸、冲击等领域。
LS-DYNA具有强大的求解能力和灵活性，可以模拟复杂的物理现象和材料性能。
除了上述几个常用的有限元分析软件外，还有许多其他软件也具有广泛的应用。
有限元分析在实际工程中有着广泛的应用，下面以汽车结构分析为例进行介绍。
汽车结构分析是有限元分析的一个重要应用领域。
有限元分析软件可以帮助工程师对汽车的结构进行模拟和分析，评估其在碰撞、强度、刚度等方面的性能。
首先，工程师可以使用有限元分析软件对汽车的结构进行建模。
软件提供了各种几何建模工具，可以根据汽车的三维CAD数据进行建模，或者使用简化的二维平面模型。
图1定子绕组温度分布云图基于Ansys 和MotorCAD 仿真的无刷直流电机温度场分析王其锋魏雪环刘勇赵飞（贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550008）摘要：温度场校核的准确性对无刷直流电机的设计至关重要。
现从工业实践的角度，运用热路法平台MotorCAD 以及有限元分析平台Ansys 对无刷直流电机进行了温度场分析，并与样机工作的实际温度进行对比，验证了该模型以及分析方法的有效性和准确性，对后续无刷直流电机的研制具有一定的指导意义。
关键词：无刷直流电机；温度场；Ansys ；MotorCAD0引言无刷直流电机由于其调速范围广、转矩特性优异以及可靠性强等特点和优势，在生产实践中得到了广泛应用。
如何提高无刷直流电机的功率密度一直是业界专家和学者关注的焦点，高功率密度电机研制的瓶颈之一在于温升对电机性能的影响。
温升对电机绝缘材料的物理性能、金属材料的机械性能以及永磁体的磁性能均有较大影响，直接关系到电机的寿命和可靠性[1]，因此在设计阶段对电机进行温度场分析至关重要。
本文并未过多地关注温度场研究的相关理论，而是从实践的角度，通过样机实测的温升，与方案设计阶段运用MotorCAD 以及Ansys 软件仿真的结果进行对比分析，验证所建模型和所用方法的准确性和有效性。
1损耗分析以一台1.9kW 的无刷直流电机为例，额定转矩1.8N ·m ，额定转速10000r /min ，分析该样机额定点的稳态温度场。
该样机为典型的无刷直流电机结构，采用自然风冷方式进行冷却。
温度场分析的前提在于准确地计算出电机内部的损耗，主要包括定子铁芯损耗、定子铜耗、永磁体涡流损耗和风摩损耗[2]。
运用Ansoft Maxwell 软件对定子铁芯损耗、永磁体涡流损耗进行仿真计算，得到定子铁芯损耗为26.9W 、转子涡流损耗为12.8W 。
风摩损耗为电机旋转时与空气之间的摩擦以及轴承高速运转时产生的摩擦损耗，取输出功率的0.5%，即9.5W ；铜耗为电流流过绕组时绕组发热产生的损耗，通过相电流以及电阻值计算得到铜耗为102.8W 。
2022年第2期第57卷（总第225期）(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)基于Ansys Maxwell2D模型的感应电动机转矩仿真分析富婷(佳木斯防爆电机研究所有限公司，黑龙江佳木斯154005)摘要旋转电机的转矩特性直接关系到是否满足工程上选型所需求的驱动力。
当负载特 性曲线与电动机的转矩特性曲线相交于一点时,交点构成了电动机的与拖动负载的电力拖动系统运行点。
Ansys Maxwell有限元仿真分析结果是否准确，最直观的验证方法就是观察转矩的波形图,是否达到预期值。
重点分析了转矩的形成原因，以及电磁转矩的理论分析，结合软件对一台感应电动机进行仿真分析,得出软件的计算转矩就是电磁转矩，确定转差率是影响转矩的唯一因素，对比了不同转差率下的转矩大小，最终验证了仿真结果的准确性。
关键词有限元仿真;转差率;电磁转矩DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2022.02.06中图分类号:TM301.3文献标识码:A文章编号:1008-7281(2022)02-0021-003Torque Simulation Analysis of Induction Motor Based onAnsys Maxwell2D ModelFu Ting(Jiamusi Explosion-Proof Electric Machine Institute Co.,Ltd.,Jiamusi154005,China) Abstract The torque characteristics of the rotating motor is directly related,to whether辻meets the driving force requirement of the model selection in engineering.When the load characteristic curve intersects the torque characteristic curve of the motor at one point,the intersection is the operation point of the electric driving system constituted by the motor and the drivingload.If you will verify the accuracy of Ansys Maxwell finite-element simulation result,the mostdirect method is to observe whether the waveform graph of torque achieves the expected value.This paper mainly analyzes the formation reasons of torque and the theory of electromagnetictorque,carries out simulation analysis on an induction motor by software,draws a conclusionthat the torque computed by software is the electromagnetic torque,and detennines that the slipis the only factor affecting the torque.Through comparing the torque values at different slips,辻is finally verified that the simulation result is accurate.Key words Finite-element simulation;slip;electromagnetic torqueo引言感应电动机也称三相异步电动机，其工作原理是在定子侧的三相对称绕组通以三相对称电流,在定转子中间的气隙处形成旋转磁动势,再依据法拉第电磁感应定律，随时间空间变化磁动势的切割转子闭合回路的导条，在一对极下的导条恰好产生大小相等方向相反的磁拉力，最终感应电动机完成了电磁能量转化后，形成输出转矩。
电气工具软件训练（Ⅱ）——Ansoft Ansoft Maxwell软件作为世界著名的商用低频电磁场有限元分析软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。
它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，使计算变得方便、快捷、精准。
Ansoft软件包括：（1）二维电磁场应用；（2）三维电磁场应用；（3）基于RMxprt旋转电机分析。
本课程设计需完成的内容：（1）RMxprt旋转电机分析软件操作；（2）将RMxprt模型直接导入Maxwell 2D，建立二维电机模型，进行稳态分析。
一、ANsoft软件操作界面双击打开Maxwell软件（1） File状态栏包括打开、关闭、保存文件操作；（2） Edit状态栏包括剪切、复制、粘贴、删除、重命名等操作；（3） View状态栏包括各工具条、状态窗口的选择操作；（4） Project状态栏包括新建二维电磁场、三维电磁场、RMxprt软件操作。
二、RMxprt软件包（1）电机模块选择选择Adjust-Speed Synchronous Machine,点击OK，建立电机类型。
图1 RMxprt电机模块选择图2 RMxprt电机模块界面（2）Machine项设置过程主要输入的参数分别是：极数、转子位置、计算时的初始速度、控制类型和绕组形式。
做成表格如表1所示。
表1Machine项参数设置（3）Stator项设置过程需要输入的参数主要依次有：定子外径、定子内径、铁心长度、铁心材料型号、槽数、槽形。
如表2所示。
表2 Stator项参数设置槽形选择（4）Slot设置过程在这里，可以选择Auto Design，则需要输入参数有Hs0、Hs1、Hs2、Bs0、Bs1、Bs2；也可以不选择Auto Design，则只输入Hs0、Hs1、Bs0，则其余的值系统自动计算赋值。
表3 Slot项参数设置项目数值Hs00.8mmHs1 1.8mmHs229mmBs0 4.4mmBs18.4mmBs212.4mm（5）Winding及End/Insulation项设置过程Winding项中主要输入的依次是：绕组的层数、定子绕组类型选择、并联支路数、每槽导体数、节距、并绕根数、导线双层绝缘厚度、线径。
