【《基于ANSYS永磁无刷直流电机的有限元分析案例》2200字】

基于ANSYS永磁无刷直流电机的有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8624基于ANSYS永磁无刷直流电机的有限元分析案例 1132361.1ANSYS软件的介绍 1187521.2电机的建模及参数的设计 1208711.3划分网格 468831.4电机静态磁场分析 585571,5电机瞬态性能分析 726591.5.1空载瞬态性能分析 7113791.5.2负载瞬态性能分析 81.1ANSYS软件的介绍Maxwell是ANSYS中的电磁场有限元分析软件，在电子产品设计过程中被工程师和研究人员广泛使用。随着麦克斯韦版本的不断更新，它已广泛应用于电源、电力系统、汽车、航空航天、生物医药、石油化工、国防、电力、电子、电力电子技术、交直流传输等领域，广泛应用于通用汽车、宝马、NASA、通用电气、罗克韦尔、ABB、西门子等世界知名企业和机构。由于电磁场数值分析和计算机仿真可以为产品的设计和优化提供可靠的依据，许多昂贵的仿真试验可以用数值仿真代替。因此，它被广泛应用于企业、科研院所和大学，成为提升产品竞争力的主要手段。Maxwell2D是ANSYS在机电系统设计解决方案中的重要组成部分。Maxwell2D是一款结果准确、功能强大、人机交互方便的二维电磁场有限元分析软件。包括涡流场、瞬态场、电场、静磁场和温度场分析模块，可对电机、传感器、变压器、永磁设备和执行器等电磁设备进行静态、稳态、瞬态、正常和故障状态分析。人性化的人机界面、先进的自适应网格生成技术和自定义素材库是其最大的特点。在使用ANSYS进行仿真模拟时，一般需要做以下工作：（1）创建或者读入有限元几何模型；（2）定义材料属性和参数；（3）网格剖分（节点和单元）；（4）施加负载及负载选项，设置约束条件，然后求解；1.2电机的建模及参数的设计1）先进行电机整体参数设置。其中包括级数、转子类型、摩擦损耗、参考转速、控制电路类型等的设置，如图1.1。图1.1电机整体参数设计2）控制回路参数设置。其中包括超前触发角、触发脉冲宽度、晶闸管管压降、二极管管压降，设置如图1.2。图1.2控制回路参数设置3）定子参数设置涵盖了定子内外直径、定子铁芯长度、槽数、覆盖系数等。转子参数的设定包括转子内径和外径的设定、转子长度、覆盖系数等。仿真参数包括额定电压、额定转速等。具体设置如图1.3、图1.4、图1.5所示。图1.3定子参数图1.4转子参数图1.5仿真参数设计参数设置完了，可以得到无刷直流电机的仿真模型如图1.6。（a）电机定子模型（b）电机转子模型（c）电机绕组分布图 （d）电机组装模型1.6电机的仿真模型1.3划分网格网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网格生成质量的影响。网孔越密，磁通密度越强。如果使用默认细分，细分的质量将受到限制。为了提高求解精度和速度，需要手动细分，根据实际情况对电机的不同部位设置不同的网格尺寸。该方案的网格生成模型如图1.7所示。图1.7网格的剖分1.4电机静态磁场分析本节的电机静磁场分布主要讨论了空载时的情况，应用的有限元软件的分析步骤为求解类型选择、建模、给定材料、激励源和边界条件的加载、建立求解步骤以及后处理。本设计的建模和添加材料比较简单，在这里忽略。电机的激励源理论上有永磁体和绕组电流源，永磁体的激励源在建模时已经给定，空载分析时绕组电流为零，但是必须对绕组进行正确分相，电流激励源的给定。模型包括三个绕组，逆时针方向分别是A相正向线圈、C相负向线圈以及B相正向线圈，电流源加载时注意正负，值都为零。边界条件为：模型的两个侧边加载主从边界条件，弧形边为高导磁介质和非导磁介质的分解，因此加载磁通平行边界条件。仿真图形如图1.8。电机的漏磁系数可以由图1.8中电机的磁通分布计算出来，通过图1.9中电机的磁通密度分布云图可以检查电机是否存在过饱和点，有利于电机设计参数的调整和优化；永磁体的空载工作点可以从图1.10中各极下的气隙磁通密度，以及本次设计的空载磁路数据得到:定子齿磁通密度（特斯拉）：1.60736定子磁轭磁通密度（特斯拉）：1.468951转子磁轭磁通密度（特斯拉）：1.581987气隙磁通密度（特斯拉）：0.864892磁通密度（特斯拉）：0.957559图1.8电机磁力线分布图1.9电机磁通密度云图分布图1.10气隙磁密分布图通过Maxwell静磁场可以求出空载气隙磁密幅值0.86T。通过分析磁场分布图可以检查各块永磁体充磁设置是否有误，通过电动机磁密度云图可以校验电动机的局部是否存在饱和点，以便于及时调整参数。从图来看，该电动机并没有出现饱和点，图1.11空载反电势波形为接近正弦波。图1.11空载反电动势波形4,5电机瞬态性能分析电机的瞬态性能分析分为空载和负载两种情况，空载性能分析又分为空载起动工况和空载稳态工况；负载性能分析又分为负载起动工况和负载稳态工况。对于永磁直流无刷电机来说，空载和负载的区别就是，电枢绕组的电流是空载电流还是额定电流。1.5.1空载瞬态性能分析应用电磁场有限元分析软件分析电机空载时的瞬态性能时，不仅要设定电机空载时的电磁条件，主要是励磁源的加入和边界的设定，还要设定电机空载时的机械条件，主要是初始转速和负载转矩的设定。对于空载起动性能仿真时，电流激励源为零，电机的初始速度设定为零，转矩为额定空载转矩。求得对应的仿真曲线如图1.12至1.15所示。图1.12空载瞬态仿真时的转矩曲线图1.13空载瞬态仿真时的转速曲线图1.14空载瞬态仿真时的电流曲线图1.15空载瞬态仿真时的反电动势曲线1.5.2负载瞬态性能分析负载瞬态分析时，外加激励源电路，分别设置好电机的控制电压电路、驱动主回路和电机电路后，可得到控制总电路。然后将电路和有限元连接，