教育資料（2021-2022年收藏的）有限元的分析軟件Ansoft在電機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用

1、-WORD格式-可編輯-有限元分析軟件Ansoft在電機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用一 ansoft軟件各模塊的簡(jiǎn)單介紹1 RMxprt該軟件用于探索電機(jī)設(shè)計(jì)空間、快速確定設(shè)計(jì)方案，并能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)它已經(jīng)可以進(jìn)行十三種電機(jī)類型的設(shè)計(jì)：三相感應(yīng)電機(jī)單相感應(yīng)電機(jī)永磁無刷直流電機(jī)永磁直流電機(jī)通用電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速運(yùn)行永磁同步電機(jī)自起動(dòng)三相永磁同步電機(jī)三相同步電機(jī)三相同步發(fā)電機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)特點(diǎn)：ü 向?qū)浇槊?，參?shù)化輸入: 工作條件,幾何尺寸, 材料特性ü 基于磁網(wǎng)路法 的快速解析分析ü 詳細(xì)的結(jié)果輸出：圖形和表格ü 利用對(duì)稱條件生成最小有限元分析模型，用于電機(jī)動(dòng)態(tài)過程詳細(xì)

2、有限元分析ü 參數(shù)化設(shè)計(jì)能力：尺寸、材料等無需指定?？捎靡欢ㄗ兓秶淖兞勘硎?#252; 優(yōu)化設(shè)計(jì)功能ü 求解時(shí)考慮材料非線性b h特性ü 自動(dòng)設(shè)計(jì)功能: 槽型設(shè)計(jì)和線規(guī)選擇ü 提供豐富的預(yù)設(shè)計(jì)電機(jī)模型庫ü 輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)驗(yàn)證ü 提供美國、中國材料庫和公制、英制尺寸ü 針對(duì)電機(jī)種類的多種繞組型式和用戶定義繞組連接方式ü 多種負(fù)栽種類: 恒功率、恒轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)水泵ü 三維斜槽和端部效應(yīng)ü 無刷電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路類型、控制方式選擇和開關(guān)管參數(shù)設(shè)定2. Maxwell 2D

3、 二維電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)，瞬態(tài)場(chǎng)分析軟件，Maxwell® 2D 是一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的二維電磁場(chǎng)有限元分析軟件，一般在電磁物體滿足軸向均勻或RZ對(duì)稱的條件下采用。3. Maxwell 3D 包括電場(chǎng)、穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)、動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)、損耗計(jì)算和熱分析模塊，其核心是針對(duì)三維電磁場(chǎng)分析而優(yōu)化的有限元技術(shù)。向?qū)降挠脩艚缑?、精度?qū)動(dòng)的自適應(yīng)剖分技術(shù)和強(qiáng)大的后處理器使得Maxwell 3D成為業(yè)界最佳的高性能三維電磁設(shè)計(jì)軟件。可以分析渦流、位移電流、集膚效應(yīng)和領(lǐng)近效應(yīng)具有不可忽視作用的系統(tǒng)，得到電機(jī)、母線、變壓器、線圈中渦流的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗(R和L)

4、、力、轉(zhuǎn)矩、電感、儲(chǔ)能等參數(shù)可以自動(dòng)計(jì)算。同時(shí)也可以給出整個(gè)相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度、溫度分布等圖形結(jié)果。4. Optimetrics Optimetrics是Maxwell 3D的選件模塊，用于優(yōu)化、參數(shù)分析和敏感性分析。Optimetrics為設(shè)計(jì)者評(píng)估特定參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)之間關(guān)系最終進(jìn)行裝置優(yōu)化提供了有力工具。采用宏功能，仿真過程中可以對(duì)形狀、激勵(lì)/邊界條件、頻率等進(jìn)行參數(shù)分析優(yōu)化。 OPTIMETRICS是絕佳的參數(shù)化和優(yōu)化引擎，它可讓用戶從一非常簡(jiǎn)潔易用的界面執(zhí)行參數(shù)分析、敏感性分析、優(yōu)化和其他許多設(shè)計(jì)研究。OPTIMETRICS模塊驅(qū)動(dòng)ANSOFT的電磁場(chǎng)解算器

5、，使工程師們能用精確電磁場(chǎng)仿真來設(shè)計(jì)電子器件和產(chǎn)品。采用OPTIMETRICS，就可以很快很輕易地執(zhí)行大量的設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化器件，并自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究來推導(dǎo)出敏感性和不確定性與制造容差之間的函數(shù)關(guān)系。  OPTIMETRICS自動(dòng)產(chǎn)生和修改宏。用戶建立一個(gè)項(xiàng)目并定義要改變的獨(dú)立參數(shù)。宏編輯器模塊自動(dòng)解釋宏文本中的特顯行，使用戶可定義獨(dú)立變量，然后用戶再定義在參數(shù)分析中需計(jì)算的非獨(dú)立變量，或在優(yōu)化中需最小化的COST函數(shù)。非獨(dú)立變量和COST函數(shù)在HFSS中可以是任意的計(jì)算值：場(chǎng)值、S-參數(shù)、頻率響應(yīng)、本征模、阻抗等。HFSS執(zhí)行所要求的計(jì)算，向參數(shù)分析提供便利的表格形式的輸出，向優(yōu)化

6、提供最佳的設(shè)計(jì)要求。報(bào)告生成器使用戶能繪出參數(shù)仿真中獨(dú)立參數(shù)與非獨(dú)立參數(shù)間的關(guān)系以及優(yōu)化中費(fèi)用函數(shù)及其他度量與周期的關(guān)系。 5. simplorer二 沈陽ansoft電磁場(chǎng)培訓(xùn)筆記摘要1) RMxprt 筆記摘要其中的periodic 尋找對(duì)稱周期difference: 定轉(zhuǎn)子相差一定角度2 Maxwell 2D 筆記摘要ü Maxwell2D里面的定義充磁方向問題：徑向充磁： assignalign object : 沿物體方向align with a given diretion: 沿與x軸以一定的角度align relative to orientation:角度可

7、以是函數(shù) 如OUT=PHI, IN=PHI-180PHI: 物體上的該點(diǎn)與圓心所構(gòu)成的直線與x軸的夾角。Ansoft里面區(qū)分大小寫ü Maxwell2D靜態(tài)分析：Total: 總的電流電壓， 100,-100,50,-50在maxwell2d靜態(tài)分析種可以設(shè)定求解變量，在后處理中用的到。Number of required pass: 需要求解的次數(shù)。Solve comvergens: 收斂過程Solution matrix: 求解矩陣，如電感矩陣，得到的是單位長度的電感，還要進(jìn)行計(jì)算ü 后處理部分：surface-all 選擇mag B : 磁密幅值，上限可以調(diào)整B-ve

8、ctor: B矢量ü 在某些曲線上的數(shù)據(jù)的圖形顯示這里注意一下后處理中計(jì)算器的應(yīng)用。以及后處理中Macro宏的錄制和應(yīng)用問題。瞬態(tài)邊界設(shè)定：phaseA：激勵(lì)：電流，電壓，外電路(external circuit) 激勵(lì)可以用Function, 其中P代表電機(jī)現(xiàn)在位置，S為轉(zhuǎn)速，T為仿真起始時(shí)間Edit/電路編輯器， 電阻，主繞組，漏感， ü 周期邊界條件 ： 奇數(shù)個(gè)極slave= master 偶數(shù)個(gè)極slave= mastermotion setup： 設(shè)定band 邊界，內(nèi)為運(yùn)動(dòng)，外為靜止band把轉(zhuǎn)子包起來ü 可以設(shè)置函數(shù)轉(zhuǎn)速：0 30001 30002

9、60003 6000model depth: 軸向長度3Maxwell3D ü ACIS-based Kernel*.sat, *.igs *.stp *.sld *.geo材料參數(shù)變化3D solver： 靜電場(chǎng)靜磁場(chǎng)渦流場(chǎng)溫度場(chǎng)瞬態(tài)場(chǎng)：電機(jī)運(yùn)動(dòng)，負(fù)載變化，動(dòng)態(tài)過程靜電場(chǎng)： 電壓電流激勵(lì)， 標(biāo)量位 ED力、轉(zhuǎn)矩，儲(chǔ)能靜磁場(chǎng)： 永磁 直流電流 外部邊界上的靜態(tài)磁場(chǎng)渦流場(chǎng)： 1. 單純正弦 正弦電流（給幅值） 2. 時(shí)變外部激勵(lì)等瞬態(tài)場(chǎng)： 任意電流、電壓 外接力、轉(zhuǎn)矩ü 例子：流程 create: namemagneticstaticthermal simulationR 1

10、0H 100036段x=0y=0z=500circle 軸在x軸上R=0Sweep along axiesCircle360移動(dòng)坐標(biāo)系solid 分割range 0 剛剛包住求解區(qū)域設(shè)定材料： backgrand : air中間圓棒： steel圓環(huán)： copper邊界激勵(lì)ü 封閉物體加電流方法：先選截面，surfacesection,選YZ面，選物體后，ok, slice,slice1cover lines, 包絡(luò)線面 slice1加電流后，選face, slice face, 1000A， solid 實(shí)心導(dǎo)體strand 多根線plot cutplane set Mag B&#

11、252; 3維Vector B 只在表面畫出，磁密可以在體上畫出，可以強(qiáng)加邊界條件， pick faceü 渦流場(chǎng)分析：將上面的例子中的圓棒材料改為銅，圓環(huán)也改為銅，ü 非封閉加電流 注意：加電流的面必須在邊界上， pick face: swap direction(轉(zhuǎn)變電流方向) value 10000Aü 3D 瞬態(tài)分析的例子3相變壓器 face，source, coil terminalboundary, even 磁力線垂直winding setup：voltage , strand, function 1414*sin(360*50*T), voltag

12、e A, total turns 1669等Transient: 瞬態(tài)分析電機(jī)端部例子主 從 slave 面 原點(diǎn)坐標(biāo)定子槽上下之間的絕緣，有絕緣邊界，槽體也有絕緣導(dǎo)條里電流交變的變化三維帶運(yùn)動(dòng)ü 爪極發(fā)電機(jī) 參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)RMxprt參數(shù)設(shè)計(jì)Input parameters輸入變量data sweep t_start t_end previewpostprocessor patameter tableRmxprt優(yōu)化設(shè)計(jì)ü Simplorer的部分內(nèi)容三 ansoft在電機(jī)設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域中的應(yīng)用舉例Rmxprt的應(yīng)用:以2.2kwY系列三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，界面輸入數(shù)據(jù)入下：

13、General 界面：stator1界面stator2界面rotor1界面：rotor2界面：上面參數(shù)輸入完畢之后點(diǎn)取analysis /analytical design, 出現(xiàn)提示“Design program ran successfully”后表明分析完畢此時(shí)打開Post process/design output程序?qū)⒔o出設(shè)計(jì)結(jié)果：具體數(shù)據(jù)如下：Three-Phase Induction Motor Design File: c:/pmsm.pjt/3p.pjt/3p.res GENERAL DATA Given Output Power (kW):2.2Rated Voltage

14、(V):380Winding Connection:WyeNumber of Poles:4Given Speed (rpm):1450Frequency (Hz):50Stray Loss (W):22 Friction and Wind Loss (W):22 Type of Load:Constant TorqueIron Core Length (mm): 105Stacking Factor of Iron Core:0.95Type of Steel:D23-50 STATOR DATA Number of Stator Slots:36Outer Diameter of Stat

15、or (mm): 155Inner Diameter of Stator (mm): 98Type of Stator Slot:2Dimension of Stator Slot hs0 (mm): 0.8 hs1 (mm): 0.5 hs2 (mm): 11.1 bs0 (mm): 2.8 bs1 (mm): 4.5 bs2 (mm): 6.6Number of Conductors per Slot:41Number of Parallel Branches:1Number of Wires per Conductor:2Type of Coils:12Coil Pitch:18Wire

16、 Diameter (mm): 0.71Wire Wrap Thickness (mm): 0.05Slot Insulation Thickness (mm): 0.4Top Free Space in Slot (%):0Bottom Free Space in Slot (%):0Conductor Length Adjustment (mm): 15 ROTOR DATA Number of Rotor Slots:32Air Gap (mm): 0.3Inner Diameter of Rotor (mm): 37Type of Rotor Slot:3Dimension of Ro

17、tor Slot hr0 (mm): 0.5 hr01 (mm): 0 hr1 (mm): 1 hr2 (mm): 14.5 br0 (mm): 1 br1 (mm): 4.5 br2 (mm): 2 rr (mm): 0Skew Width (mm): 8.53544Height of End Ring (mm): 15Width of End Ring (mm): 15Resistivity of Rotor Conductor at 75 C (ohm.mm2/m):0.0434 RATED-LOAD OPERATION Stator Resistance (ohm):3.33976St

18、ator Leakage Reactance (ohm):2.87156Rotor Resistance (ohm):2.37048Rotor Leakage Reactance (ohm):3.53671Resistance Corresponding to Iron-Core Loss (ohm):1633.59Magnetizing Reactance (ohm):85.9895Stator Phase Current (A):4.74829Current Corresponding to Iron-Core Loss (A):0.121606Magnetizing Current (A

19、):2.31022Rotor Phase Current (A):3.87539Copper Loss of Stator Winding (W):225.897Copper Loss of Rotor Winding (W):106.804Iron-Core Loss (W):72.4729Friction & Wind Loss (W):22Stray Loss (W):22Input Power (kW):2.62446Output Power (kW):2.17529Mechanical Shaft Torque (N.m):14.5282Efficiency (%):82.8

20、851Power Factor:0.832727Rated Slip:0.0463542Rated Shaft Speed (rpm):1430.47 NO-LOAD OPERATION Stator Resistance (ohm):3.33976Stator Leakage Reactance (ohm):2.87638Rotor Resistance (ohm):2.37023Rotor Leakage Reactance (ohm):3.55801Phase Current (A):2.46662Iron-Core Loss (W):82.2463Input Power (W):187

21、.713Power Factor:0.102073Slip:0.000397066Shaft Speed (rpm):1499.4 BREAK-DOWN OPERATION Break-down Slip:0.43Break-down Torque (N.m):45.5597Break-down Torque Ratio:3.13594 LOCKED-ROTOR OPERATION Locked-rotor Torque (N.m):37.9029Locked-rotor Phase Current (A):29.1697Locked-rotor Torque Ratio:2.60891Loc

22、ked-rotor Current Ratio:6.14319Stator Resistance (ohm):3.33976Stator Leakage Reactance (ohm):2.46194Rotor Resistance (ohm):2.48652Rotor Leakage Reactance (ohm):2.46921 DETAILED DATA AT RATED OPERATION Stator Slot Leakage Reactance (ohm):1.18284Stator End-Winding Leakage Reactance (ohm):1.01125Stator

23、 Differential Leakage Reactance (ohm):0.67747Rotor Slot Leakage Reactance (ohm):1.77539Rotor End-Winding Leakage Reactance (ohm):0.10821Rotor Differential Leakage Reactance (ohm):1.21313Skewing Leakage Reactance (ohm):0.439979Slot Fill Factor (%):76.2888Stator Winding Factor:0.959795Stator-Teeth Flu

24、x Density (Tesla):1.50733Rotor-Teeth Flux Density (Tesla):1.55901Stator-Yoke Flux Density (Tesla):1.39925Rotor-Yoke Flux Density (Tesla):1.36969Air-Gap Flux Density (Tesla):0.694346Stator-Teeth Ampere Turns (A.T):26.0288Rotor-Teeth Ampere Turns (A.T):43.2834Stator-Yoke Ampere Turns (A.T):33.9397Roto

25、r-Yoke Ampere Turns (A.T):8.2077Air-Gap Ampere Turns (A.T):239.784Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Stator Yoke:0.48758Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Rotor Yoke:0.362308Saturation Factor for Teeth:1.28906Saturation Factor for Teeth & Yoke:1.46483Induced-Voltage F

26、actor:0.905474Stator Current Density (A/mm2):5.99654Specific Electric Loading (A/mm):22.764Stator Thermal Load (A2/mm3):136.505Half-Turn Length of Stator Winding (mm): 24.77 WINDING ARRANGEMENTThe 3-phase, 1-layer winding can be arranged in 18 slots as below:AAAZZZBBBXXXCCCYYYAngle per slot (elec. d

27、egrees):20Phase-A axis (elec. degrees):110First slot center (elec. degrees):0 TRANSIENT FEA INPUT DATA For Stator Winding: Number of Turns:246 Parallel Branches:1 Terminal Resistance (ohm):3.33976 End Leakage Inductance (H):0.00321891For Rotor End Ring Between Two Bars of One Side: End Ring Resistan

28、ce (ohm):1.54146e-006 End Ring Inductance (H):1.2414e-009查看電機(jī)結(jié)構(gòu)：首先點(diǎn)擊tools/options再點(diǎn)擊analysis /view geometry在2D modeler中將給出圖形：如果將上面的periodic改為1，difference改為30，得到的geometry如圖所示創(chuàng)建maxwell2D projectAnalysis/create maxwell2D project在彈出的create Maxwell 2D project窗口中輸入工程名和存放工程的路徑，例如。點(diǎn)取create以后將出現(xiàn)提示“A Maxwell

29、2D project named fuday1 created”到這里此版本的rmxprt的整個(gè)流程完畢。細(xì)節(jié)問題：1 非線性材料的數(shù)據(jù)輸入問題2 View lamni3 在最新版本中涵蓋了參數(shù)化設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，4 在最新版本中還有create simplorer project 功能，即產(chǎn)生simplorer里面的有限元部分5 Ansoft有獨(dú)立于以上版本的optimatrics模塊，不過是從此模塊中調(diào)用maxwell2D,maxwell3D,以及RMxprt下面進(jìn)入maxwell 2D的使用環(huán)節(jié)：Maxwell2D Maxwell2D選擇工程界面：點(diǎn)取ok以后進(jìn)入maxwell 2D 主

30、界面：Maxwell 2D 的求解器繪圖平面：這里以瞬態(tài)場(chǎng)分析為例：點(diǎn)擊Define Model下的Draw model顯示界面如下：此時(shí)是用wire frame形式畫出的電機(jī)截面圖形，下面利用fill solid形式畫出具體繪圖命令這里不再細(xì)講， 由于此這里進(jìn)行的是瞬態(tài)分析，所以ansoft在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙區(qū)域加上了一個(gè)band, 即運(yùn)動(dòng)邊界如圖所示：退出后可以對(duì)圖中畫出的多個(gè)對(duì)象進(jìn)行分組：下面是給各對(duì)象定義材料：ansoft支持自己設(shè)定材料，并且可以保存在數(shù)據(jù)庫中這里需要注意的幾點(diǎn)問題：1一定要注意，background的材料定義為air2.shaft的材料定義為空氣3.band的材

31、料定義為air退出setup material后進(jìn)入setup boundary/source環(huán)節(jié)：定義電壓源（或電流源）其中單擊option按鈕出現(xiàn)的對(duì)話框?yàn)椋簡(jiǎn)螕鬴unction出現(xiàn)的對(duì)話框?yàn)椋?另外，這里支持條件表達(dá)式，點(diǎn)擊左下角的help按鈕將出現(xiàn)提示對(duì)話框如下：由于前面選擇的是絞線型，所以這里還要對(duì)“winding”進(jìn)行設(shè)置端部連接的設(shè)定：端部連接設(shè)定完之后退出“setup boundary/source”環(huán)節(jié)，進(jìn)入“Setup option”環(huán)節(jié)點(diǎn)擊setup option/option出現(xiàn)的界面為：自己定義網(wǎng)格剖分，電機(jī)mannual mesh：將出現(xiàn)提示框：選擇“是”，即手工創(chuàng)建網(wǎng)格，自己調(diào)整網(wǎng)格 程序默認(rèn)的網(wǎng)格剖分網(wǎng)格細(xì)化問題：如果對(duì)某部分區(qū)域的網(wǎng)格不滿意，可以進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化例如：1） 利用area選擇區(qū)域細(xì)化 細(xì)化后的網(wǎng)格如圖所示： 利用area選擇整個(gè)電機(jī)區(qū)域以后的細(xì)化2） 另外還可以根據(jù)需要，對(duì)具體的對(duì)象進(jìn)行細(xì)化，如對(duì)定子進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格圖形對(duì)比： 程序默認(rèn)的網(wǎng)格剖分