電機電磁場的仿真分析

1、電機電磁場的仿真分析電機電磁場的仿真分析 ANSYS軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用電機電磁場的仿真分析電機電磁場的仿真分析l電機內(nèi)的電磁場電機內(nèi)的電磁場lANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介l一個應(yīng)用實例一個應(yīng)用實例電機內(nèi)的電磁場電機內(nèi)的電磁場電機內(nèi)的電磁場從它的分布區(qū)域及其作用來看，大致可電機內(nèi)的電磁場從它的分布區(qū)域及其作用來看，大致可分為：（分為：（1 1）氣隙磁場；（）氣隙磁場；（2 2）凸極同步電機磁極間的漏磁場）凸極同步電機磁極間的漏磁場或直流電機主磁極與換向極間的漏磁場；（或直流電機主磁極與換向極間的漏磁場；（3 3）槽內(nèi)漏磁場；）槽內(nèi)漏磁場；（4 4）繞組端部電磁場；（）繞組端部電

2、磁場；（5 5）鐵心中的磁場；（）鐵心中的磁場；（6 6）實心轉(zhuǎn)）實心轉(zhuǎn)子中的電磁場等。按照是否隨時間變化，電機內(nèi)的電磁場可子中的電磁場等。按照是否隨時間變化，電機內(nèi)的電磁場可分為：分為：（1 1）恒定磁場；（）恒定磁場；（2 2）時變電磁場。）時變電磁場。同步電機的主極磁場、極間漏磁場等屬于恒定磁場。交同步電機的主極磁場、極間漏磁場等屬于恒定磁場。交流電機定子槽內(nèi)導(dǎo)體的渦流損耗、實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機內(nèi)的電流電機定子槽內(nèi)導(dǎo)體的渦流損耗、實心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機內(nèi)的電磁場問題等均屬于時變電磁場問題。由于磁場問題等均屬于時變電磁場問題。由于電機中的交變電磁電機中的交變電磁場頻率很低，因此位移電流可以忽略不計，

3、屬于似穩(wěn)電磁場場頻率很低，因此位移電流可以忽略不計，屬于似穩(wěn)電磁場的范疇。的范疇。 電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機中的一切電磁過程都可以從電機中的一切電磁過程都可以從麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組出發(fā)進行分析。出發(fā)進行分析。 lssDH dlJ dsdstDHJtlsBE dldstt BEt vsvD dsdvvD0sB ds 0B名稱名稱積分形式積分形式微分形式微分形式全電流定律全電流定律電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律高斯定律高斯定律磁通連續(xù)性定律磁通連續(xù)性定律電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機中的電磁力：電機中的電磁力：電機中切向電磁力所形成的電磁力矩和電樞繞組中的感應(yīng)電

4、動電機中切向電磁力所形成的電磁力矩和電樞繞組中的感應(yīng)電動勢，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的兩個基本要素。電機中電磁力分兩類：勢，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的兩個基本要素。電機中電磁力分兩類：l載流導(dǎo)體在磁場內(nèi)所受到的力。對于長度為的長直載流導(dǎo)線，載流導(dǎo)體在磁場內(nèi)所受到的力。對于長度為的長直載流導(dǎo)線，其力為：其力為：l鐵磁介質(zhì)在磁場中受到的力。如果媒質(zhì)中有傳導(dǎo)電流，相應(yīng)的鐵磁介質(zhì)在磁場中受到的力。如果媒質(zhì)中有傳導(dǎo)電流，相應(yīng)的邊密度是邊密度是 , ,而非鐵磁媒質(zhì)在磁場中受力的體密度是而非鐵磁媒質(zhì)在磁場中受力的體密度是 ，則總，則總的力密度是的力密度是在電機中計算磁場力時，通?？梢园言陔姍C中計算磁場力時，通常可以把

5、忽略掉。忽略掉。 lFidlB(1)(2)212rfffJBB(1)f(2)f(2)f電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機電磁場的理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方程：結(jié)構(gòu)方程：表示場量之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程有：表示場量之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程有：它表明了電磁性能關(guān)系，它表明了電磁性能關(guān)系， 分別為電容分別為電容率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。對于線性媒質(zhì)，它們是常率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。對于線性媒質(zhì)，它們是常數(shù)；對于非線性媒質(zhì)，它們隨場強的變化而變化。數(shù)；對于非線性媒質(zhì)，它們隨場強的變化而變化。,DEJEBH, 電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機電磁場的理論基礎(chǔ)邊界條件：邊界條件：電機電磁場問題中，邊界條件一般有一類、二類及周期電機電磁場問題中，邊界條件一般

6、有一類、二類及周期性邊界條件，混合的三類邊界條件很少遇到。性邊界條件，混合的三類邊界條件很少遇到。l第一類邊界條件：用標量位第一類邊界條件：用標量位 求解時，邊界上求解時，邊界上 為已知為已知值，即值，即這時，邊界上磁場強度的切向分量這時，邊界上磁場強度的切向分量 為已知。當(dāng)用矢量為已知。當(dāng)用矢量磁位磁位 求解時，邊界上為已知值，即求解時，邊界上為已知值，即這時，邊界上磁通密度的法向分量為已知。由于磁力線這時，邊界上磁通密度的法向分量為已知。由于磁力線即等即等 線，?？蛇x擇一條磁力線作為邊界。恒定場中還可令線，?？蛇x擇一條磁力線作為邊界。恒定場中還可令其為參考位（某一常數(shù)值或零）。在似穩(wěn)交變場

7、中，往往在其為參考位（某一常數(shù)值或零）。在似穩(wěn)交變場中，往往在給定的周期性條件中實際上已給出參考位點。給定的周期性條件中實際上已給出參考位點。 CtHAACA電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機電磁場的理論基礎(chǔ)l第二類邊界條件：即邊界上的求解量法向?qū)?shù)第二類邊界條件：即邊界上的求解量法向?qū)?shù)已知。用已知。用 求解時求解時即磁場強度法向分量即磁場強度法向分量 已知。用已知。用 求解時，則求解時，則l周期性邊界條件：由于電機旋轉(zhuǎn)磁場呈周期性周期性邊界條件：由于電機旋轉(zhuǎn)磁場呈周期性分布，在一對極下電磁場分布正好是一個周期分布。分布，在一對極下電磁場分布正好是一個周期分布。CnnHAACn電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機

8、電磁場的理論基礎(chǔ)l交界條件：電機常常由多層介質(zhì)組成，兩介質(zhì)交界交界條件：電機常常由多層介質(zhì)組成，兩介質(zhì)交界面應(yīng)滿足下列條件：面應(yīng)滿足下列條件：電場強度切向分量相等，即電場強度切向分量相等，即 ； 電流密度法向分量相等，即電流密度法向分量相等，即 ；交界面上無面電流層時，磁場強度的切向分量相等，交界面上無面電流層時，磁場強度的切向分量相等，即即 ；如果有面電流存在，則根據(jù)全電流定律，；如果有面電流存在，則根據(jù)全電流定律，可得可得 ；磁通密度的法向分量相等，即磁通密度的法向分量相等，即 ；矢量磁位的切線分量連續(xù)，即交界上滿足矢量磁位的切線分量連續(xù)，即交界上滿足 。12ttEE12nnJJ12ttH

9、H12ttHHJ12nnBB12ttAA電機電磁場的理論基礎(chǔ)電機電磁場的理論基礎(chǔ)非線性問題：非線性問題：研究電磁場問題時，媒質(zhì)的電磁性能參數(shù)研究電磁場問題時，媒質(zhì)的電磁性能參數(shù) 可能跟著場強變化而變化?？赡芨鴪鰪娮兓兓?。在磁場中，鐵磁物質(zhì)的磁化特性呈非線性關(guān)系，在磁場中，鐵磁物質(zhì)的磁化特性呈非線性關(guān)系，磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 是磁場強度或磁通密度的函數(shù)。是磁場強度或磁通密度的函數(shù)。在研究渦流問題時，導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率在研究渦流問題時，導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率 是隨是隨著著 的值變化而變化，使的值變化而變化，使 呈現(xiàn)非線性，此呈現(xiàn)非線性，此時都應(yīng)分別滿足準渦流方程。時都應(yīng)分別滿足準渦流方程。, ,E JJEA

10、NSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介ANSYSANSYS磁場分析的有限元公式是麥克斯韋爾方程組磁場分析的有限元公式是麥克斯韋爾方程組導(dǎo)出，導(dǎo)出，計算的主要未知量（自由度）是計算的主要未知量（自由度）是磁勢或磁通量磁勢或磁通量，其它磁場量則由這些自由度得來。其它磁場量則由這些自由度得來。ANSYSANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式，包括各向同性或各向異性的線性磁導(dǎo)率，材料的方式，包括各向同性或各向異性的線性磁導(dǎo)率，材料的B-HB-H曲線和永磁體的退磁曲線。后處理功能允許用戶顯曲線和永磁體的退磁曲線。后處理功能允許用戶顯示磁力線、磁

11、通密度和磁場強度，并可以進行力、力矩、示磁力線、磁通密度和磁場強度，并可以進行力、力矩、源輸入能量、感應(yīng)系數(shù)、端電壓和其它參數(shù)的計算。源輸入能量、感應(yīng)系數(shù)、端電壓和其它參數(shù)的計算。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介ANSYSANSYS程序的電場分析功能可用于研究電場三個方程序的電場分析功能可用于研究電場三個方面的問題：電流傳導(dǎo)、靜電分析和電路分析。感興趣面的問題：電流傳導(dǎo)、靜電分析和電路分析。感興趣的典型物理量包括電流密度、電場強度、電勢頒、電的典型物理量包括電流密度、電場強度、電勢頒、電通量密度、傳導(dǎo)產(chǎn)生的焦耳熱、貯能、力、電容、電通量密度、傳導(dǎo)產(chǎn)生的焦耳熱、貯能、力、電容、電

12、流以及電勢降等。流以及電勢降等。ANSYSANSYS程序進行電磁場分析的另一優(yōu)點是耦合場分程序進行電磁場分析的另一優(yōu)點是耦合場分析功能。磁場分析的耦合場載荷可被自動耦合到結(jié)構(gòu)、析功能。磁場分析的耦合場載荷可被自動耦合到結(jié)構(gòu)、流體及熱單元上。此外在對電路耦合器件的電磁場分流體及熱單元上。此外在對電路耦合器件的電磁場分析時，電路可被直接耦合到導(dǎo)體或電源，同時也計及析時，電路可被直接耦合到導(dǎo)體或電源，同時也計及運動的影響。運動的影響。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介ANSYSANSYS程序中磁場分析的類型：程序中磁場分析的類型：l2-D2-D（3-D3-D）靜態(tài)磁場分析：分析直流電或

13、永磁體所產(chǎn)）靜態(tài)磁場分析：分析直流電或永磁體所產(chǎn)生的磁場。生的磁場。l2-D2-D（3-D3-D）諧波磁場分析：分析低頻交流電流或交流）諧波磁場分析：分析低頻交流電流或交流電壓所產(chǎn)生的磁場。電壓所產(chǎn)生的磁場。l2-D2-D（3-D3-D）瞬態(tài)磁場分析：分析隨時間任意變化的電）瞬態(tài)磁場分析：分析隨時間任意變化的電流或外場所產(chǎn)生的磁場。流或外場所產(chǎn)生的磁場。 電機內(nèi)的磁場問題（例如氣隙磁場、槽內(nèi)磁場等）電機內(nèi)的磁場問題（例如氣隙磁場、槽內(nèi)磁場等）大多可以簡化成二維的情況，但是對于繞組端部電磁場大多可以簡化成二維的情況，但是對于繞組端部電磁場等問題由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜則應(yīng)采用三維場分析。等問題由于其結(jié)構(gòu)復(fù)

14、雜則應(yīng)采用三維場分析。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介電磁場的源電磁場的源：電流、外加磁場、永磁體：電流、外加磁場、永磁體在電磁場分析中要計算的量在電磁場分析中要計算的量：磁通密度、磁場強度、磁力及：磁通密度、磁場強度、磁力及磁矩、阻抗、電感、能量損耗等磁矩、阻抗、電感、能量損耗等電磁場單元電磁場單元：PLANE13PLANE13、PLANE53PLANE53、CIRCU124CIRCU124、SOLID96SOLID96、SOLID97SOLID97、PLANE121PLANE121、INFIN9INFIN9等。等。電磁場分析的步驟電磁場分析的步驟：創(chuàng)建物理環(huán)境；創(chuàng)建物理環(huán)境

15、；建立模型，劃分網(wǎng)格，賦予特性；建立模型，劃分網(wǎng)格，賦予特性；加邊界條件和載荷；加邊界條件和載荷；求解；求解；后處理（查看計算結(jié)果）。后處理（查看計算結(jié)果）。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介ANSYSANSYS軟件提供了兩種工作模式，即人機交互軟件提供了兩種工作模式，即人機交互方式（方式（GUIGUI方式）和命令流輸入方式（方式）和命令流輸入方式（BATCHBATCH方方式）。式）。APDLAPDL是是ANSYSANSYS參數(shù)化設(shè)計的語言，它是一門可參數(shù)化設(shè)計的語言，它是一門可用來自動完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化用來自動完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模

16、型的腳本語言，用建立智能變量方式建立分析模型的腳本語言，用建立智能化分析的手段為用戶提供自動完成有限元分析過化分析的手段為用戶提供自動完成有限元分析過程。程。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介創(chuàng)建物理環(huán)境：創(chuàng)建物理環(huán)境：l/TITLE：定義分析標題：定義分析標題l/UNIT：定義單位制：定義單位制lET或或KEYOPT：說明單元類型及其選項：說明單元類型及其選項lLOCAL：定義單元坐標系：定義單元坐標系lMP：定義線性材料特性：定義線性材料特性lMPREAD：對導(dǎo)磁材料導(dǎo)入：對導(dǎo)磁材料導(dǎo)入B-H曲線曲線lR：定義實常數(shù)?？捎脕矶x絞線圈的幾何形狀、：定義實常數(shù)?？捎脕矶x絞線圈

17、的幾何形狀、繞組特性以及描述速度效應(yīng)等。繞組特性以及描述速度效應(yīng)等。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介建立模型過程中要注意的問題：建立模型過程中要注意的問題：l注意單位；注意單位；l建模過程中刪除了面后，確保相應(yīng)地刪除了組成建模過程中刪除了面后，確保相應(yīng)地刪除了組成該面的線和關(guān)鍵點；該面的線和關(guān)鍵點；l一定要在定義完材料特性，實常數(shù)、單元類型和一定要在定義完材料特性，實常數(shù)、單元類型和單元坐標系后才能劃分網(wǎng)格；單元坐標系后才能劃分網(wǎng)格；l充分利用對稱性，這樣只需對一部分設(shè)備建模。充分利用對稱性，這樣只需對一部分設(shè)備建模。對稱性分為磁力線平行，磁力線垂直和周期性對對稱性分為磁力線平

18、行，磁力線垂直和周期性對稱。稱。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介加邊界條件和載荷：加邊界條件和載荷：既可以給實體模型（關(guān)鍵點、線、面）既可以給實體模型（關(guān)鍵點、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點和單元）加邊界條件和載荷。也可以給有限元模型（節(jié)點和單元）加邊界條件和載荷。邊界條件邊界條件AZAZ值值磁力線垂直磁力線垂直不需要（自然發(fā)生）不需要（自然發(fā)生）磁力線平行磁力線平行說明說明AZ=0AZ=0，用，用D D命令或命令或GUIGUI路徑操作路徑操作遠場遠場用遠場單元用遠場單元INFIN9INFIN9和和INFIN110INFIN110周期性周期性用用PERBC2DPERBC2D宏

19、在節(jié)點上創(chuàng)建奇對稱可偶對稱周期性邊宏在節(jié)點上創(chuàng)建奇對稱可偶對稱周期性邊界條件，或用界條件，或用GUIGUI路徑操作路徑操作外加磁場外加磁場令令A(yù)ZAZ等于一非零值，或用等于一非零值，或用GUIGUI路徑操作路徑操作ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介加載荷：加載荷： 對于諧性場，諧波載荷假定任何外加載荷都是隨時間對于諧性場，諧波載荷假定任何外加載荷都是隨時間呈諧波（正弦）變化的，這樣的載荷要說明幅值、相位角呈諧波（正弦）變化的，這樣的載荷要說明幅值、相位角和工作頻率。幅值即為所加載荷的最大值；相位角即為載和工作頻率。幅值即為所加載荷的最大值；相位角即為載荷落后于參考的時間，只有存在

20、著多個彼此不同相的載荷荷落后于參考的時間，只有存在著多個彼此不同相的載荷時才需用到相位角。工作頻率就是交流電的頻率。時才需用到相位角。工作頻率就是交流電的頻率。 給塊狀導(dǎo)體加電流，是加給帶有強加電流的塊導(dǎo)體區(qū)給塊狀導(dǎo)體加電流，是加給帶有強加電流的塊導(dǎo)體區(qū)域的節(jié)點電流載荷，代表通過導(dǎo)體的總的電流值。在域的節(jié)點電流載荷，代表通過導(dǎo)體的總的電流值。在2-D分分析中，這種載荷要求析中，這種載荷要求PLANE13和和PLANE53單元的自由度單元的自由度為為AZ和和VOLT。要想給渦流效應(yīng)的橫截面上加均勻電流，必。要想給渦流效應(yīng)的橫截面上加均勻電流，必須耦合橫截面上的須耦合橫截面上的VOLT自由度。自由

21、度。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介求解：求解：/SOLU/SOLU：進入求解器；：進入求解器；/ANTYPE/ANTYPE：說明分析類型；：說明分析類型；對于非線性分析，采用二步求解程序：對于非線性分析，采用二步求解程序：在前面在前面3 3到到5 5子載荷步內(nèi)讓載荷斜坡變化，每一子步只子載荷步內(nèi)讓載荷斜坡變化，每一子步只有一個平衡迭代。有一個平衡迭代。計算最后解一個子步，有計算最后解一個子步，有5 5到到1010次平衡迭代。次平衡迭代。非線性求解收斂性圖形跟蹤：當(dāng)進行非線性電磁分非線性求解收斂性圖形跟蹤：當(dāng)進行非線性電磁分析時，可使用析時，可使用/GST/GST命令打開圖形求

22、解跟蹤，以了解命令打開圖形求解跟蹤，以了解求解收斂情況。求解收斂情況。ANSYSANSYS電磁場分析簡介電磁場分析簡介注意：求解時，源電流的頻率應(yīng)加轉(zhuǎn)差頻率注意：求解時，源電流的頻率應(yīng)加轉(zhuǎn)差頻率 實際運行時，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子電流的頻實際運行時，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子電流的頻率互不相同，它們的磁場難于進行統(tǒng)一的計算。另率互不相同，它們的磁場難于進行統(tǒng)一的計算。另外，由于定、轉(zhuǎn)子之間具有相對運行，亦較難進行外，由于定、轉(zhuǎn)子之間具有相對運行，亦較難進行網(wǎng)格剖分。為此可將實際的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為等效的網(wǎng)格剖分。為此可將實際的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為等效的靜止狀態(tài)。靜止狀態(tài)。 對轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子靜止、定子上施加一組轉(zhuǎn)差對轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子靜止、定子上施加一組轉(zhuǎn)差頻率的三相正序電流，與轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差速度旋轉(zhuǎn)、定頻率的三相正序電流，與轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差速度