哈工大培训课程ANSOFT软件在电机设计中的应用PPT课件

1、ANSOFTANSOFT软件在电 机设计中的应用（四） Ansoft学习 蓝带目标 必須通過綠帶的規定，並顯示有能力對以下功能進行: 建立模型，執行和結果分析。 後處理， 優化設計 1 基本操作 （1）建模 建立全模型，非全模型，CAD模型导入ansoft软件的方法。 （2）材料属性设置 正确为元件设定材料，填加材料。叠片方向，叠片电导率等。 Ansoft学习 （3）边界及源设定 气球边界，value边界，主从边界合理运用。静态场和暂态 场电压源，电流源及外电路设定方法。 （4）参数设定 静态场主要为力和转矩，暂态场。 （4）求解条件设定及运算 （5）结果分析 静态场力和转矩值，暂态场定位转矩

2、，反电势波形，电流波 形等。判断计算结果的正确性。根据分析结果可得到效率， 功率因数等。 Ansoft学习 2后处理 电机磁力线，磁密云图分布，应用计算器画某条线上的切向， 法向磁密波形（主要为气隙，齿和轭部磁密。）。求点的矢量 磁位值。求漏磁系数，极弧系数，卡特系数等。波形导入和导 出。FFT分解。 3优化设计 判断和评价设计方案。根据用户需求选择电机结构和控制方法。 能够对电机进行优化，包括定位转矩，转矩波动，反电势波形， 提高电机转速范围和提高电机效率等相关优化。运用相关的电 机理论知识，分析调节不同参数如永磁体尺寸，磁桥宽度和绕 组匝数等对电机某方面性能产生的影响，并能综合比较选择合

3、适的电机方案。 主要内容 u永磁直流电机设计 u无刷直流电机设计 u永磁同步电机设计 u永磁直线电机设计 u参数化分析 结构 工作特性 机械特性 参数选取 参数选取 参数选取 参数选取 磁路求解 电枢反应 电枢反应 改善永磁电机的换向 普通直流电机在主磁 极间加装换向极，使 换向极产生的磁场与 交轴电枢反应磁场抵 消，以改善换向条件、 减小换向火花，并可 适当降低由换向不利 引起的噪音。 永磁电机因为永磁材料的使用而带来问题。作为磁极，磁钢是产生恒定不变的磁通的 源，但它本身的磁阻却很大。当用磁钢作换向极时，对改善换向收效甚微。 改善永磁电机的换向方法：偏心气隙和靴角气隙 改善永磁电机的换向方

4、法：偏心气隙和靴角气隙 永磁电机采用不均匀气隙对改善换向比较有利。偏心 气隙长度从磁钢中心线至极尖连续光滑增大，抑制电 枢反应引起的气隙磁场畸变，改善换向，也改善磁钢 极尖处因受电枢反应而产生的不可逆去磁现象。 磁钢尖端削角而其余部分气隙均匀。圆弧两端各约 六分之一变成直线，可抑制电枢反应，改善换向。 一般最大气隙长度为2-3倍最小气隙长度。 降低噪音 偏心气隙既是削弱电枢反应磁场的办法，也能削弱由齿槽效应产生的交 变力引起的噪声和振动。因为它使气隙磁密发生变化，使本来一下子进 入磁极的齿槽变成逐渐进入，减少了磁钢对齿槽间气隙磁密的突变。 2极12槽PMDC 1.永磁直流电机设计_外电路 外电

5、路界面 工作界面 元件库 1.永磁直流电机设计_外电路 外面路图 1.永磁直流电机设计_外电路 初始时间，bar0滞后正极电刷15度（机械角度，a half commutating bar pitch）,它滞后负极电刷195度。Bar1则滞 后正极电刷-15度，滞后负极165度。以此类推。 1.永磁直流电机设计_外电路 ComModel 1.永磁直流电机设计_外电路 碳刷宽度 wideB=2*arcsin(8/24)=38.9(deg) 换向器直径24mm，碳刷宽度8mm。 换向片宽度为 换向片数12，换向器绝缘0.5mm。 1.永磁直流电机设计_外电路 电磁转矩 1.永磁直流电机设计 电流

6、1.永磁直流电机设计 电压 1.永磁直流电机设计 一个线圈的电流和电压 1.永磁直流电机设计 气隙磁密 1.永磁直流电机设计 磁力线分布 1.永磁直流电机设计 FFT 1.永磁直流电机设计 FFT 1.永磁直流电机设计 34 永磁无刷直流永磁无刷直流 电机系统图电机系统图 控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信 号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕 组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。 2.无刷直流电机 不同类型转子位置传感器比较 无刷直流电机 表两相导通星形三相六状态绕组和开关管导通顺序表 2.无刷直流电机 传感器：H1

7、=1 H2=0 H3=1 导通相：B 2.无刷直流电机 传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B 2.无刷直流电机 传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C 2.无刷直流电机 传感器：H1=0 H2=1 H3=0 导通相：C 2.无刷直流电机 传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A 2.无刷直流电机 传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A 2.无刷直流电机 传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B 2.无刷直流电机_电枢反应特点 电枢反应与磁路的饱和程度，转向，电枢绕组联接方式，导通 顺序和磁状态角大小有关。以二相导通星形三相六状态为例，工 作在A和

8、B相导通的磁状态范围时： 直轴在（a）最大 去磁作用，（b） 最大增磁作用。 交轴对主磁场的作用是使气隙磁场波形畸变。径向畸磁可不考虑， 切向激磁，使气隙磁场前极尖部分B加强，后极尖B削弱。如果磁 路不饱和，加强和削弱部分相等，反之产生饱和去磁作用。同时， 畸变的气隙磁场还使力矩波动增加。 机械特性 2.无刷直流电机_运行特性 调节特性 2.无刷直流电机_运行特性 工作特性 2.无刷直流电机_运行特性 2.无刷直流电机_转矩脉动 电磁转矩脉动原因 定子齿槽引起的磁阻转矩; 电枢反应引起磁场畸变; 换相时由于绕组电感的影响,存在换相电流延迟,从而引起转矩脉动。 斜极 磁极分段错位 斜槽，斜极和磁

9、极分段错位 分数槽 齿顶开辅助槽 槽极配合等方法 分数槽 2.无刷直流电机_定位转矩 槽极配合法 2.无刷直流电机_定位转矩 2.无刷直流电机_换相转矩脉动3 在ANSOFT外电路里面，通过改变每相导通时间， “PW,pulsewidths” ，使换相过程的中关闭相 和开通相有重叠部分，这样可以实现重叠换相控制。 针对不同的电机有不同的最佳重叠换相角，当重叠 换相角小于最佳重叠换相角时，不能很好抑制转矩 脉动，当重叠换相角大于最佳重叠换相角时，又会 产生新的转矩脉动。 2.无刷直流电机_换相转矩脉动3 重 叠 换 相 角 0 2.无刷直流电机_换相转矩脉动3 重 叠 换 相 角 2 2.无刷直

10、流电机_换相转矩脉动3 2.无刷直流电机设计 主从边界设定 转矩 2.无刷直流电机设计 额定负载反电势 2.无刷直流电机设计 气隙磁密波形 2.无刷直流电机设计 磁力线 2.无刷直流电机设计 电机气隙径向磁场沿圆周方向的分布是不均匀的。为了便于磁路计算，引入了 计算极弧系数。它可以定义为计算极弧宽度与极距的比值；也可以也可以定义 为气隙平均磁通密度与最大磁通密度的比值。 2.无刷直流电机设计 平均磁密 2.无刷直流电机设计 3.参数化分析 算例 3.参数化分析 输入变量名 3.参数化分析 3.参数化分析 3.参数化分析 可以编辑变量 3.参数化分析 求解 3.参数化分析 结果 3.参数化分析

11、结果 3.参数化分析 铁块受到的力 4.软件几个小问题 计算功率因数 4.软件几个小问题 阻尼系数 D=(风靡和摩擦损耗)/速度的平方 单位：损耗w,速度rad/s 叠片电导率 4.软件几个小问题 4.软件几个小问题 4.软件几个小问题 1 周敏德. 影响永磁直流电机性能的几个关键问题。 2李钟明.稀土永磁电机。 3刘广岩.抽油机用永磁无刷直流电机设计及转矩脉动抑制。 附录1：定义材料属性冲片设定 冲片的方向设定，叠片系数设定 附录2：源设置 静态场电流源设置 分6次讲AXBYCZ设置。可多个线圈分配。 给定每相电流（3相电机共给定6次）。 附录2：源设置 在list中给定，修改电流值。 附录

12、2：源设置 附录2：源设置 暂态场电流源设置 2种方法： 1）先填加winding，再填加coil。 winding填加3次。槽数为n，则填加coil的次数为n次。这种设置适合槽数较 少的电机。 2）先填加coil，再填加winding coil填加6次（AXBYCZ),winding填加3次。这种设置适合槽数较多的电机。 附录2：源设置 填加A相绕组的线圈（填加coil） 附录2：源设置 附录2：源设置 填加winding 附录2：源设置 Winding中填加线圈 附录2：源设置 附录3：求取直线上的磁密分布（法向，切向，幅值 等） Example：求取直线上的法向磁密分布。 步骤1：fie

13、ld overlays右键calculator。 2）quantityB， GeometryLinePolyline1 3）VectorUnit VectorNormal 4）VectorDot 5）点Add按钮，取名为MagB_normal_line 6）点Ok按钮，完成。 附录3：求取直线上的磁密分布（法向，切向，幅值 等） 步骤2： 1）在Results上右键，Create Fields Report， Rectangular report 2）在Geometry里面选择polyline1 3）在X后面的下拉菜单中选择Distance 4）依次选择CategoryCalculator Expressions Bnorm 5）点New report，close 附录3：求取直线上的磁密分布（法向，切向，幅值 等） 附录4：电机参数计算方法 卡特系数 电机定、转子的开槽，使得气隙的等效磁阻增大，在电机的磁路计算 中，尤其是计算气隙磁位差时，必须考虑开槽的影响，为此引入了卡特系 数。它是计算气隙与实际气隙长度的比值，也是实际的气隙最大磁通密度 与计算时采用的气隙最大磁通密度之比： 谢 谢 Ansoft学习 （3）边界及源设定 气球边界，value边界，主从边界合理运用。静态场和暂态 场电压源，电流源及外电路设定方法。 （4）参数设定 静态