电机电磁场的仿真分析
̶ ̶ ANSYS软件应用
电机电磁场的仿真分析
电机内的电磁场 ANSYS电磁场分析简介 一个应用实例
电机内的电磁场
电机内的电磁场从它的分布区域及其作用来看，大致可 分为：（1）气隙磁场；（2）凸极同步电机磁极间的漏磁场 或直流电机主磁极与换向极间的漏磁场；（3）槽内漏磁场； （4）绕组端部电磁场；（5）铁心中的磁场；（6）实心转 子中的电磁场等。按照是否随时间变化，电机内的电磁场可 分为：（1）恒定磁场；（2）时变电磁场。
令AZ等于一非零值，或用GUI路径操作
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加载荷： 对于谐性场，谐波载荷假定任何外加载荷都是随时间
呈谐波（正弦）变化的，这样的载荷要说明幅值、相位角和 工作频率。幅值即为所加载荷的最大值；相位角即为载荷落 后于参考的时间，只有存在着多个彼此不同相的载荷时才需 用到相位角。工作频率就是交流电的频率。
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ANSYS软件提供了两种工作模式，即人机交 互方式（GUI方式）和命令流输入方式（BATCH 方式）。
APDL是ANSYS参数化设计的语言，它是一 门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参 数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立 智能化分析的手段为用户提供自动完成有限元分 析过程。
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电磁场的源：电流、外加磁场、永磁体 在电磁场分析中要计算的量：磁通密度、磁场强度、磁力及 磁矩、阻抗、电感、能量损耗等 电磁场单元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、 SOLID96、SOLID97、PLANE121、INFIN9等。 电磁场分析的步骤：
– 创建物理环境； – 建立模型，划分网格，赋予特性； – 加边界条件和载荷； – 求解； – 后处理（查看计算结果）。
加边界条件和载荷：既可以给实体模型（关键点、线、面） 也可以给有限元模型（节点和单元）加边界条件和载荷。
边界条件 磁力线垂直 磁力线平行 远场 周期性
外加磁场
AZ值 不需要（自然发生） 说明AZ=0，用D命令或GUI路径操作 用远场单元INFIN9和INFIN110 用PERBC2D宏在节点上创建奇对称可偶对称周期性 边界条件，或用GUI路径操作
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创建物理环境： /TITLE：定义分析标题 /UNIT：定义单位制 ET或KEYOPT：说明单元类型及其选项 LOCAL：定义单元坐标系 MP：定义线性材料特性 MPREAD：对导磁材料导入B-H曲线 R：定义实常数。可用来定义绞线圈的几何形状、
绕组特性以及描述速度效应等。
互不相同，它们的磁场难于进行统一的计算。另外， 由于定、转子之间具有相对运行，亦较难进行网格 剖分。为此可将实际的旋转状态转化为等效的静止 状态。
对转子而言，转子静止、定子上施加一组转差频 率的三相正序电流，与转子以转差速度旋转、定子 上施加一组基频三相正序电流，两者是等效的。
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电机电磁场的理论基础
交界条件：电机常常由多层介质组成，两介质交界 面应满足下列条件：
电场强度切向分量相等，即 E1t ；E2t
电流密度法向分量相等，即 J1n ；J2n
交界面上无面电流层时，磁场强度的切向分量相
等，即 H1t ；H2如t 果有面电流存在，则根据全电流定律，
可得
； H1t H2t J
积分形式
D
Ñl H gdl s J gds s t gds
Ñl Egdl
t
s
B gds t
微分形式
H J D t
E B t
高斯定律
Ñs Dgds v vdv
gD v
磁通连续性定律
Ñs Bgds 0
gB 0
电机电磁场的理论基础
电机中的电磁力：
电机中切向电磁力所形成的电磁力矩和电枢绕组中的感应电动 势，是实现机电能量转换的两个基本要素。电机中电磁力分两类：
电机电磁场的理论基础
结构方程： 表示场量之间关系的结构方程有：
D E, J E, B H
它表明了电磁性能关系， ,, 分别为电容 率、电导率和磁导率。对于线性媒质，它们是常 数；对于非线性媒质，它们随场强的变化而变化。
电机电磁场的理论基础
边界条件：
电机电磁场问题中，边界条件一般有一类、二类及周期
ANSYS电磁场分析简介
ANSYS程序中磁场分析的类型： 2-D（3-D）静态磁场分析：分析直流电或永磁体所产 生的磁场。 2-D（3-D）谐波磁场分析：分析低频交流电流或交流 电压所产生的磁场。 2-D（3-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。
电机内的磁场问题（例如气隙磁场、槽内磁场等） 大多可以简化成二维的情况，但是对于绕组端部电磁场 等问题由于其结构复杂则应采用三维场分析。
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建立模型过程中要注意的问题： 注意单位； 建模过程中删除了面后，确保相应地删除了组成
该面的线和关键点； 一定要在定义完材料特性，实常数、单元类型和
单元坐标系后才能划分网格； 充分利用对称性，这样只需对一部分设备建模。
对称性分为磁力线平行，磁力线垂直和周期性对 称。
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同步电机的主极磁场、极间漏磁场等属于恒定磁场。交 流电机定子槽内导体的涡流损耗、实心转子感应电机内的电 磁场问题等均属于时变电磁场问题。由于电机中的交变电磁 场频率很低，因此位移电流可以忽略不计，属于似稳电磁场 的范畴。
电机电磁场的理论基础
电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。
名称 全电流定律 电磁感应定律
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ANSYS磁场分析的有限元公式是麦克斯韦尔方程 组导出，计算的主要未知量（自由度）是磁势或磁通量， 其它磁场量则由这些自由度得来。
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，并可以进行力、力 矩、源输入能量、感应系数、端电压和其它参数的计算。
后处理： •磁力线：PLF2D •等值线：PLNSOL，PLESOL •矢量显示：PLVECT，PRVECT 查看一些矢量（如B，H） 的大小和方向。 •列表显示：PRESOL，PRNSOL，PRSOL •沿路径显示：PATH，PPATH，PDEF，PRPATH •线圈电阻及电感：可以计算载压或载流绞线型线圈的电阻 及电感。每个单元中都有线圈的电阻及电感值，求和即可 得到导体建模区的总电阻及电感。
性边界条件，混合的三类边界条件很少遇到。
第一类边界条件：用标量位 求解时，边界上 为 已知值，
即
C
这时，边界上磁场强度的切向分量 H为t 已知。当用矢量
磁位 A求解时，边界上为已知值，即 A C
这时，边界上磁通密度的法向分量为已知。由于磁力线
即等 A线，常可选择一条磁力线作为边界。恒定场中还可令其
– 在前面3到5子载荷步内让载荷斜坡变化，每一子步只 有一个平衡迭代。
– 计算最后解一个子步，有5到10次平衡迭代。
非线性求解收敛性图形跟踪：当进行非线性电磁分 析时，可使用/GST命令打开图形求解跟踪，以了 解求解收敛情况。
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注意：求解时，源电流的频率应加转差频率 实际运行时，转子在旋转，定、转子电流的频率
载流导体在磁场内所受到的力。对于长度为的长直载流导线，
其力为：
F l idl B
铁磁介质在磁场中受到的力。如果媒质中有传导电流，相应的
边密度是 f (1,)而非铁磁媒质在磁场中受力的体密度是
密度是
f f (1) f (2) J B r 1B2
2
，f (则2) 总的力
在电机中计算磁场力时，通常可以把 f (忽2) 略掉。
磁通密度的法向分量相等，即 ； B1n B2n
矢量磁位的切线分量连续，即交界上满足 A1t 。A2t
电机电磁场的理论基础
非线性问题： 研究电磁场问题时，媒质的电磁性能参数 ,, 可能跟着场强变化而变化。 在磁场中，铁磁物质的磁化特性呈非线性关系， 磁导率 是磁 场强度或磁通密度的函数。 在研究涡流问题时，导电媒质的电导率 是随 着E, J 的值变化而变化，使 J E 呈现非线性，此 时都应分别满足准涡流方程。
ANSYS电磁场分析简介
利用宏命令计算其它我们感兴趣的项： CURR2D：计算导体中的电流 EMAGERR：计算静电场或静磁场分析中的相对误差 FLUXV：计算通过闭合回路的磁通量 FMAGSUM：计算作用到单元组元上的合力 FOR2D：计算作用到导体上的磁力 MMF：计算沿某指定路径的电动势降 PLF2D：生成等势线 SENERGY：计算模型中的磁场贮能和共能 SRCS：计算绞线型线圈的端参数 TORQ2D：计算磁场作用到导体上的扭矩
给块状导体加电流，是加给带有强加电流的块导体区 域的节点电流载荷，代表通过导体的总的电流值。在2-D分 析中，这种载荷要求PLANE13和PLANE53单元的自由度为 AZ和VOLT。要想给涡流效应的横截面上加均匀电流，必须 耦合横截面上的VOLT自由度。
ANSYS电磁场分析简介
求解： /SOLU：进入求解器； /ANTYPE：说明分析类型； 对于非线性分析，采用二步求解程序：
为参考位（某一常数值或零）。在似稳交变场中，往往在给
定的周期性条件中实际上已给出参考位点。
电机电磁场的理论基础
第二类边界条件：即边界上的求解量法向导数
已知。用 求解时
ห้องสมุดไป่ตู้ C n
即磁场强度法向分量 Hn已知。用 A 求解时，则
A C
周期性边界条件：由n 于电机旋转磁场呈周期性
分布，在一对极下电磁场分布正好是一个周期分布。
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