1、電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,1,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析, ANSYS軟件應(yīng)用,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,2,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng) ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介 一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,3,電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng),電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)從它的分布區(qū)域及其作用來(lái)看，大致可分為：（1）氣隙磁場(chǎng)；（2）凸極同步電機(jī)磁極間的漏磁場(chǎng)或直流電機(jī)主磁極與換向極間的漏磁場(chǎng)；（3）槽內(nèi)漏磁場(chǎng)；（4）繞組端部電磁場(chǎng)；（5）鐵心中的磁場(chǎng)；（6）實(shí)心轉(zhuǎn)子中的電磁場(chǎng)等。按照是否隨時(shí)間變化，電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)可分為：（1）恒定磁場(chǎng)；（2）時(shí)變電磁場(chǎng)。 同步電機(jī)的主極磁場(chǎng)、極間漏磁場(chǎng)等屬于恒定磁場(chǎng)。交流電機(jī)定子槽內(nèi)導(dǎo)體的渦流損耗、實(shí)

2、心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)問題等均屬于時(shí)變電磁場(chǎng)問題。由于電機(jī)中的交變電磁場(chǎng)頻率很低，因此位移電流可以忽略不計(jì)，屬于似穩(wěn)電磁場(chǎng)的范疇。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,4,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),電機(jī)中的一切電磁過程都可以從麥克斯韋方程組出發(fā)進(jìn)行分析。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,5,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),電機(jī)中的電磁力： 電機(jī)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(dòng)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的兩個(gè)基本要素。電機(jī)中電磁力分兩類： 載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)所受到的力。對(duì)于長(zhǎng)度為的長(zhǎng)直載流導(dǎo)線，其力為： 鐵磁介質(zhì)在磁場(chǎng)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 ,而非鐵磁媒質(zhì)在磁場(chǎng)中受力的體密度是 ，則總的力密度

3、是 在電機(jī)中計(jì)算磁場(chǎng)力時(shí)，通常可以把 忽略掉。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,6,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)方程： 表示場(chǎng)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， 分別為電容率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。對(duì)于線性媒質(zhì)，它們是常數(shù)；對(duì)于非線性媒質(zhì)，它們隨場(chǎng)強(qiáng)的變化而變化。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,7,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),邊界條件： 電機(jī)電磁場(chǎng)問題中，邊界條件一般有一類、二類及周期性邊界條件，混合的三類邊界條件很少遇到。 第一類邊界條件：用標(biāo)量位 求解時(shí)，邊界上 為已知值，即 這時(shí)，邊界上磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量 為已知。當(dāng)用矢量磁位 求解時(shí)，邊界上為已知值，即 這時(shí)，邊界上磁通密度的法向分量為已知。由于磁力線即

4、等 線，常可選擇一條磁力線作為邊界。恒定場(chǎng)中還可令其為參考位（某一常數(shù)值或零）。在似穩(wěn)交變場(chǎng)中，往往在給定的周期性條件中實(shí)際上已給出參考位點(diǎn)。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,8,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),第二類邊界條件：即邊界上的求解量法向?qū)?shù)已知。用 求解時(shí) 即磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量 已知。用 求解時(shí)，則 周期性邊界條件：由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)呈周期性分布，在一對(duì)極下電磁場(chǎng)分布正好是一個(gè)周期分布。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,9,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),交界條件：電機(jī)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： 電場(chǎng)強(qiáng)度切向分量相等，即 ； 電流密度法向分量相等，即 ； 交界面上無(wú)面電流層時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量相等，即

5、 ；如果有面電流存在，則根據(jù)全電流定律，可得 ； 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 。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,10,電機(jī)電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ),非線性問題： 研究電磁場(chǎng)問題時(shí)，媒質(zhì)的電磁性能參數(shù) 可能跟著場(chǎng)強(qiáng)變化而變化。 在磁場(chǎng)中，鐵磁物質(zhì)的磁化特性呈非線性關(guān)系，磁導(dǎo)率 是磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁通密度的函數(shù)。 在研究渦流問題時(shí)，導(dǎo)電媒質(zhì)的電導(dǎo)率 是隨著 的值變化而變化，使 呈現(xiàn)非線性，此時(shí)都應(yīng)分別滿足準(zhǔn)渦流方程。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,11,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,ANSYS磁場(chǎng)分析的有限元公式是麥克斯韋爾方程組導(dǎo)出，計(jì)算的主要未知量（自由度）是磁勢(shì)或磁通量，其它磁場(chǎng)量則

6、由這些自由度得來(lái)。 ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達(dá)方式，包括各向同性或各向異性的線性磁導(dǎo)率，材料的B-H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、磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，并可以進(jìn)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(jì)算。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,12,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,ANSYS程序的電場(chǎng)分析功能可用于研究電場(chǎng)三個(gè)方面的問題：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(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)頒、電通量密度、傳導(dǎo)產(chǎn)生的焦耳熱、貯能、力、電容、電流以及電勢(shì)降等。 ANSYS程序進(jìn)行電磁場(chǎng)分析的另一優(yōu)點(diǎn)是耦合場(chǎng)分析功能。磁場(chǎng)分析的耦合場(chǎng)載荷可

7、被自動(dòng)耦合到結(jié)構(gòu)、流體及熱單元上。此外在對(duì)電路耦合器件的電磁場(chǎng)分析時(shí)，電路可被直接耦合到導(dǎo)體或電源，同時(shí)也計(jì)及運(yùn)動(dòng)的影響。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,13,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,ANSYS程序中磁場(chǎng)分析的類型： 2-D（3-D）靜態(tài)磁場(chǎng)分析：分析直流電或永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 2-D（3-D）諧波磁場(chǎng)分析：分析低頻交流電流或交流電壓所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 2-D（3-D）瞬態(tài)磁場(chǎng)分析：分析隨時(shí)間任意變化的電流或外場(chǎng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)問題（例如氣隙磁場(chǎng)、槽內(nèi)磁場(chǎng)等）大多可以簡(jiǎn)化成二維的情況，但是對(duì)于繞組端部電磁場(chǎng)等問題由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜則應(yīng)采用三維場(chǎng)分析。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,14,ANSYS電磁

8、場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,電磁場(chǎng)的源：電流、外加磁場(chǎng)、永磁體 在電磁場(chǎng)分析中要計(jì)算的量：磁通密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁力及磁矩、阻抗、電感、能量損耗等 電磁場(chǎng)單元：PLANE13、PLANE53、CIRCU124、SOLID96、SOLID97、PLANE121、INFIN9等。 電磁場(chǎng)分析的步驟： 創(chuàng)建物理環(huán)境； 建立模型，劃分網(wǎng)格，賦予特性； 加邊界條件和載荷； 求解； 后處理（查看計(jì)算結(jié)果）。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,15,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,ANSYS軟件提供了兩種工作模式，即人機(jī)交互方式（GUI方式）和命令流輸入方式（BATCH方式）。 APDL是ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)的語(yǔ)言，它是一門可用來(lái)自動(dòng)完成有限

9、元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語(yǔ)言，用建立智能化分析的手段為用戶提供自動(dòng)完成有限元分析過程。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,16,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,創(chuàng)建物理環(huán)境： /TITLE：定義分析標(biāo)題 /UNIT：定義單位制 ET或KEYOPT：說明單元類型及其選項(xiàng) LOCAL：定義單元坐標(biāo)系 MP：定義線性材料特性 MPREAD：對(duì)導(dǎo)磁材料導(dǎo)入B-H曲線 R：定義實(shí)常數(shù)?？捎脕?lái)定義絞線圈的幾何形狀、繞組特性以及描述速度效應(yīng)等。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,17,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,建立模型過程中要注意的問題： 注意單位； 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(diǎn)

10、； 一定要在定義完材料特性，實(shí)常數(shù)、單元類型和單元坐標(biāo)系后才能劃分網(wǎng)格； 充分利用對(duì)稱性，這樣只需對(duì)一部分設(shè)備建模。對(duì)稱性分為磁力線平行，磁力線垂直和周期性對(duì)稱。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,18,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,加邊界條件和載荷：既可以給實(shí)體模型（關(guān)鍵點(diǎn)、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）加邊界條件和載荷。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,19,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,加載荷： 對(duì)于諧性場(chǎng)，諧波載荷假定任何外加載荷都是隨時(shí)間呈諧波（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；相位角即為載荷落后于參考的時(shí)間，只有存在著多個(gè)彼此不同相的載荷時(shí)才需用到相位角。

11、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(qiáng)加電流的塊導(dǎo)體區(qū)域的節(jié)點(diǎn)電流載荷，代表通過導(dǎo)體的總的電流值。在2-D分析中，這種載荷要求PLANE13和PLANE53單元的自由度為AZ和VOLT。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VOLT自由度。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,20,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,求解： /SOLU：進(jìn)入求解器； /ANTYPE：說明分析類型； 對(duì)于非線性分析，采用二步求解程序： 在前面3到5子載荷步內(nèi)讓載荷斜坡變化，每一子步只有一個(gè)平衡迭代。 計(jì)算最后解一個(gè)子步，有5到10次平衡迭代。 非線性求解收斂性圖形跟蹤：當(dāng)進(jìn)行非線性電磁分析時(shí)，可使用

12、/GST命令打開圖形求解跟蹤，以了解求解收斂情況。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,21,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,注意：求解時(shí)，源電流的頻率應(yīng)加轉(zhuǎn)差頻率 實(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(chǎng)難于進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算。另外，由于定、轉(zhuǎn)子之間具有相對(duì)運(yùn)行，亦較難進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為此可將實(shí)際的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為等效的靜止?fàn)顟B(tài)。 對(duì)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)、定子上施加一組基頻三相正序電流，兩者是等效的。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,22,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,后處理： 磁力線：PLF2D 等值線：PLNSOL，PLESOL 矢量顯示：PLVECT，PRVECT 查看一些矢量（如B，H）的大小和方向。 列表顯示：PRESOL，PRNSOL，PRSOL 沿路徑顯示：PATH，PPATH，PDEF，PRPATH 線圈電阻及電感：可以計(jì)算載壓或載流絞線型線圈的電阻及電感。每個(gè)單元中都有線圈的電阻及電感值，求和即可得到導(dǎo)體建模區(qū)的總電阻及電感。,電機(jī)電磁場(chǎng)的仿真分析,23,ANSYS電磁場(chǎng)分析簡(jiǎn)介,利用宏命令計(jì)算其它我