基于ANSYS永磁無(wú)刷直流電機(jī)的有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8624基于ANSYS永磁無(wú)刷直流電機(jī)的有限元分析案例 1132361.1ANSYS軟件的介紹 1187521.2電機(jī)的建模及參數(shù)的設(shè)計(jì) 1208711.3劃分網(wǎng)格 468831.4電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)分析 585571,5電機(jī)瞬態(tài)性能分析 726591.5.1空載瞬態(tài)性能分析 7113791.5.2負(fù)載瞬態(tài)性能分析 81.1ANSYS軟件的介紹Maxwell是ANSYS中的電磁場(chǎng)有限元分析軟件，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中被工程師和研究人員廣泛使用。隨著麥克斯韋版本的不斷更新，它已廣泛應(yīng)用于電源、電力系統(tǒng)、汽車、航空航天、生物醫(yī)藥、石油化工、國(guó)防、電力、電子、電力電子技術(shù)、交直流傳輸?shù)阮I(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于通用汽車、寶馬、NASA、通用電氣、羅克韋爾、ABB、西門子等世界知名企業(yè)和機(jī)構(gòu)。由于電磁場(chǎng)數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)仿真可以為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)，許多昂貴的仿真試驗(yàn)可以用數(shù)值仿真代替。因此，它被廣泛應(yīng)用于企業(yè)、科研院所和大學(xué)，成為提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段。Maxwell2D是ANSYS在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案中的重要組成部分。Maxwell2D是一款結(jié)果準(zhǔn)確、功能強(qiáng)大、人機(jī)交互方便的二維電磁場(chǎng)有限元分析軟件。包括渦流場(chǎng)、瞬態(tài)場(chǎng)、電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析模塊，可對(duì)電機(jī)、傳感器、變壓器、永磁設(shè)備和執(zhí)行器等電磁設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常和故障狀態(tài)分析。人性化的人機(jī)界面、先進(jìn)的自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)和自定義素材庫(kù)是其最大的特點(diǎn)。在使用ANSYS進(jìn)行仿真模擬時(shí)，一般需要做以下工作：（1）創(chuàng)建或者讀入有限元幾何模型；（2）定義材料屬性和參數(shù)；（3）網(wǎng)格剖分（節(jié)點(diǎn)和單元）；（4）施加負(fù)載及負(fù)載選項(xiàng)，設(shè)置約束條件，然后求解；1.2電機(jī)的建模及參數(shù)的設(shè)計(jì)1）先進(jìn)行電機(jī)整體參數(shù)設(shè)置。其中包括級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)子類型、摩擦損耗、參考轉(zhuǎn)速、控制電路類型等的設(shè)置，如圖1.1。圖1.1電機(jī)整體參數(shù)設(shè)計(jì)2）控制回路參數(shù)設(shè)置。其中包括超前觸發(fā)角、觸發(fā)脈沖寬度、晶閘管管壓降、二極管管壓降，設(shè)置如圖1.2。圖1.2控制回路參數(shù)設(shè)置3）定子參數(shù)設(shè)置涵蓋了定子內(nèi)外直徑、定子鐵芯長(zhǎng)度、槽數(shù)、覆蓋系數(shù)等。轉(zhuǎn)子參數(shù)的設(shè)定包括轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和外徑的設(shè)定、轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度、覆蓋系數(shù)等。仿真參數(shù)包括額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等。具體設(shè)置如圖1.3、圖1.4、圖1.5所示。圖1.3定子參數(shù)圖1.4轉(zhuǎn)子參數(shù)圖1.5仿真參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置完了，可以得到無(wú)刷直流電機(jī)的仿真模型如圖1.6。（a）電機(jī)定子模型（b）電機(jī)轉(zhuǎn)子模型（c）電機(jī)繞組分布圖 （d）電機(jī)組裝模型1.6電機(jī)的仿真模型1.3劃分網(wǎng)格網(wǎng)格生成是有限元分析中非常重要的一步。有限元分析的精度直接受到網(wǎng)格生成質(zhì)量的影響。網(wǎng)孔越密，磁通密度越強(qiáng)。如果使用默認(rèn)細(xì)分，細(xì)分的質(zhì)量將受到限制。為了提高求解精度和速度，需要手動(dòng)細(xì)分，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)的不同部位設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸。該方案的網(wǎng)格生成模型如圖1.7所示。圖1.7網(wǎng)格的剖分1.4電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)分析本節(jié)的電機(jī)靜磁場(chǎng)分布主要討論了空載時(shí)的情況，應(yīng)用的有限元軟件的分析步驟為求解類型選擇、建模、給定材料、激勵(lì)源和邊界條件的加載、建立求解步驟以及后處理。本設(shè)計(jì)的建模和添加材料比較簡(jiǎn)單，在這里忽略。電機(jī)的激勵(lì)源理論上有永磁體和繞組電流源，永磁體的激勵(lì)源在建模時(shí)已經(jīng)給定，空載分析時(shí)繞組電流為零，但是必須對(duì)繞組進(jìn)行正確分相，電流激勵(lì)源的給定。模型包括三個(gè)繞組，逆時(shí)針?lè)较蚍謩e是A相正向線圈、C相負(fù)向線圈以及B相正向線圈，電流源加載時(shí)注意正負(fù)，值都為零。邊界條件為：模型的兩個(gè)側(cè)邊加載主從邊界條件，弧形邊為高導(dǎo)磁介質(zhì)和非導(dǎo)磁介質(zhì)的分解，因此加載磁通平行邊界條件。仿真圖形如圖1.8。電機(jī)的漏磁系數(shù)可以由圖1.8中電機(jī)的磁通分布計(jì)算出來(lái)，通過(guò)圖1.9中電機(jī)的磁通密度分布云圖可以檢查電機(jī)是否存在過(guò)飽和點(diǎn)，有利于電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化；永磁體的空載工作點(diǎn)可以從圖1.10中各極下的氣隙磁通密度，以及本次設(shè)計(jì)的空載磁路數(shù)據(jù)得到:定子齒磁通密度（特斯拉）：1.60736定子磁軛磁通密度（特斯拉）：1.468951轉(zhuǎn)子磁軛磁通密度（特斯拉）：1.581987氣隙磁通密度（特斯拉）：0.864892磁通密度（特斯拉）：0.957559圖1.8電機(jī)磁力線分布圖1.9電機(jī)磁通密度云圖分布圖1.10氣隙磁密分布圖通過(guò)Maxwell靜磁場(chǎng)可以求出空載氣隙磁密幅值0.86T。通過(guò)分析磁場(chǎng)分布圖可以檢查各塊永磁體充磁設(shè)置是否有誤，通過(guò)電動(dòng)機(jī)磁密度云圖可以校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的局部是否存在飽和點(diǎn)，以便于及時(shí)調(diào)整參數(shù)。從圖來(lái)看，該電動(dòng)機(jī)并沒(méi)有出現(xiàn)飽和點(diǎn)，圖1.11空載反電勢(shì)波形為接近正弦波。圖1.11空載反電動(dòng)勢(shì)波形4,5電機(jī)瞬態(tài)性能分析電機(jī)的瞬態(tài)性能分析分為空載和負(fù)載兩種情況，空載性能分析又分為空載起動(dòng)工況和空載穩(wěn)態(tài)工況；負(fù)載性能分析又分為負(fù)載起動(dòng)工況和負(fù)載穩(wěn)態(tài)工況。對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，空載和負(fù)載的區(qū)別就是，電樞繞組的電流是空載電流還是額定電流。1.5.1空載瞬態(tài)性能分析應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元分析軟件分析電機(jī)空載時(shí)的瞬態(tài)性能時(shí)，不僅要設(shè)定電機(jī)空載時(shí)的電磁條件，主要是勵(lì)磁源的加入和邊界的設(shè)定，還要設(shè)定電機(jī)空載時(shí)的機(jī)械條件，主要是初始轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的設(shè)定。對(duì)于空載起動(dòng)性能仿真時(shí)，電流激勵(lì)源為零，電機(jī)的初始速度設(shè)定為零，轉(zhuǎn)矩為額定空載轉(zhuǎn)矩。求得對(duì)應(yīng)的仿真曲線如圖1.12至1.15所示。圖1.12空載瞬態(tài)仿真時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線圖1.13空載瞬態(tài)仿真時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線圖1.14空載瞬態(tài)仿真時(shí)的電流曲線圖1.15空載瞬態(tài)仿真時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)曲線1.5.2負(fù)載瞬態(tài)性能分析負(fù)載瞬態(tài)分析時(shí)，外加激勵(lì)源電路，分別設(shè)置好電機(jī)的控制電壓電路、驅(qū)動(dòng)主回路和電機(jī)電路后，可得到控制總電路。然后將電路和有限元連接，