利用ANSOFT软件对同步电动机静态特性的分析
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ANSOFT软件在电机设计中的应用教程
建模过程中注意事项
物体必须封闭。 物体之间可以完全包含，不可以交叉。 物体边的分段数不可太低。 尽量避免过尖锐的物体，必要时要做钝化处理。 应用布尔运算后，原物体并不被删除，而是被指定为Non_model，物体处于隐藏状态。
建模基本操作
选择Model/Drawing Plane命令，设置模型的绘制 平面。选项中包括XY Plane和RZ Plane.
暂态场激励源为电流源，电压源以及外接电路。
4设定边界条件及激励源
电流源设置
4设定边界条件及激励源
电压源设置
4设定边界条件及激励源
外电路中设置激励源
4设定边界条件及激励源
两相导通的三相无刷直流电机
Ia Im Ix Im
I
b
Im
Iy Im
I
c
0
Iz 0
三相星接正弦永磁同步电机
Ia Im Ix Im
选择Model/Drawing Size重新定义模型区域的大 小。
选择Model/Drawing Units来定义模型所用的单位。 创建模型。建议通过画直线和圆弧来完成场域边
界的建立。 需要的时候，利用Edit,Reshape和Arrange菜单命
令修改你所建立的模型。
绕组注意事项
连接要正确。 尽量用不同颜色标明。 同相分组。
3设定模型材料属性（Setup Materials）
选中物体，从材料库中选择所需材料，点击“Assign”。 添加新材料 材料的属性也可以用函数来赋值。
排除物体 有些情况下，可能让一些物体不参加计算，这时，就可以利用排 除该物体来实现该目的。一种典型的情况是，对于一个闭合的场 域问题（如由第一类边界包围的一个电场区域）背景可以不参加 计算，这时就可以利用排除背景来实现。具体做法为：选择要排 除的物体，点击Exclude。可Include来恢复物体。
运用Ansoft14分析永磁同步电机的电磁特性
Ansoft Maxwell Field Simulator
Topic – Motor Application Note
创建 2D 模型 (续)
选中物体 PhaseA, PhaseB 及 PhaseC， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Duplicate > Around Axis 或使用工具栏图标 。在Angle栏中输入 45 ，单位为degrees ， 在 total number栏中输入8。这就生成了我们所需的所有绕组。
1. Maxwell 选项窗口： 1. 左键单击 General Options 对话框 Use Wizards for data entry when creating new boundaries: Checked Duplicate boundaries with geometry: Checked 2. 左键单击 OK 键
Topic – Motor Application Note
减小 2D 模型的尺寸 (续)
选择 Polyline1， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Sweep > Around Axis. 参数按下面所列出的输入:
重命名区域 Polyline1 为Region。确认我们所选用的材料为真空。同时，你可以通 过增加区域的透明度来改变其渲染效果。
将材料的属性由 vacuum 更改为 Copper。 选中 LapCoil1并将其颜色改为 yellow。
Ansoft Maxwell Field Simulator
Topic – Motor Application Note
创建 2D模型 (续)
选中物体 LapCoil1, 并将其沿Z轴方向旋转 7.5 度, 右键单击选中菜单项 Edit > Arrange > Rotate 或使用工具栏图标 。
Topic – Motor Application Note
创建 2D 模型 (续)
选中物体 PhaseA, PhaseB 及 PhaseC， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Duplicate > Around Axis 或使用工具栏图标 。在Angle栏中输入 45 ，单位为degrees ， 在 total number栏中输入8。这就生成了我们所需的所有绕组。
1. Maxwell 选项窗口： 1. 左键单击 General Options 对话框 Use Wizards for data entry when creating new boundaries: Checked Duplicate boundaries with geometry: Checked 2. 左键单击 OK 键
Topic – Motor Application Note
减小 2D 模型的尺寸 (续)
选择 Polyline1， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Sweep > Around Axis. 参数按下面所列出的输入:
重命名区域 Polyline1 为Region。确认我们所选用的材料为真空。同时，你可以通 过增加区域的透明度来改变其渲染效果。
将材料的属性由 vacuum 更改为 Copper。 选中 LapCoil1并将其颜色改为 yellow。
Ansoft Maxwell Field Simulator
Topic – Motor Application Note
创建 2D模型 (续)
选中物体 LapCoil1, 并将其沿Z轴方向旋转 7.5 度, 右键单击选中菜单项 Edit > Arrange > Rotate 或使用工具栏图标 。
ANSOFT永磁同步电动机设计
ANSOFT永磁同步电动机设计
ANSOFT是一款电磁场仿真软件，可以用于永磁同步电动机的设计与
分析。
在设计永磁同步电动机时，我们需要考虑到多个因素，如电磁场分布、转矩特性、效率等。
ANSOFT能够帮助我们进行这些方面的研究和分析。
首先，对于永磁同步电动机的设计，我们需要确定合适的电磁场分布。
通过ANSOFT，我们可以对电磁场进行三维仿真，从而了解不同设计参数
对电磁场的影响。
这包括定子和转子磁场的分布，磁场强度的大小以及磁
通密度的均匀性等。
通过优化这些参数，可以提高电机的性能和效率。
其次，对于永磁同步电动机的设计，我们还需要考虑到其转矩特性。
ANSOFT可以通过有限元分析来计算电机的转矩输出，并针对不同转子和
定子参数进行优化研究。
我们可以通过调整磁铁的位置、形状和强度来改
变电机的转矩特性，以满足不同的应用需求。
此外，ANSOFT还可以用于永磁同步电动机的热分析，通过计算电机
的温度分布，我们可以评估热管理系统的设计是否合理。
通过优化冷却系
统和散热材料的选择，可以提高电机的可靠性和使用寿命。
最后，通过ANSOFT还可以进行永磁同步电动机的效率分析。
我们可
以计算电机在不同负载条件下的效率，并进行优化。
通过调整电机的设计
参数和工作点，可以提高电机的效率，减小能量损耗，提高系统的整体能效。
综上所述，ANSOFT可以提供一种强大的工具来设计和分析永磁同步
电动机。
通过电磁场仿真、转矩特性分析、热分析和效率分析，我们可以
优化电机的设计，提高其性能和效率，满足不同的应用需求。
ANSOFT_12静磁场分析案例解析
五、求解情况查看
◆执行Maxwell 2D/Results/Solution data命令，或者单击工具栏上 按 钮，弹出解观察对话框，通过对此对话框的各项操作，可以观察求解 的情况
解观察对话框
收敛数据信息
模型剖分统计信息
1、模型剖分图
◆将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A，选择模型窗口中所有物 体，执行Maxwell 2D/Fields/Plot mesh命令，可以图形显示电机模型 剖分情况。剖分图与模型图的显示切换可以通过项目管理菜单完成， 只要单击鼠标右键，在弹出菜单中选择Field/overlays/mesh plot/mesh，选择Plot Visibility，就可以切换到电机模型图
2、观察磁场分布
◆将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A， 选择模型窗口中所有物体，执行Maxwell 2D/Fields/A/Flux lines命令，在弹出的场图 显示设置对话框中设定显示名称，物理量 Quantity中选择磁力线分布Flux lines，选择 所有物体allobjects可以图形显示等磁线分 布
4、观察气隙磁密 ◆在想要看到气隙磁密的位置画一圆弧，Name改为air_gap
•执行Maxwell 2D/Fields/B/Calculator命令，弹出场计算器对话框
•单击Quantity按钮，选择B，在场计算 器的红色区域出现Vec :<Bx,By,0>
•单击Geometry按钮，弹出对话框，选择Line/air_gap，单击Ok按钮
DW470-50的磁通密度和磁场强度值见下表：
◆磁瓦，选择磁瓦把坐标系设定为建立的相对坐标系， 便于径向充磁，见下图
◆执行Modeler/Assign Material命令，弹出材料管理器，选择相应的材料，单击 确定按钮，完成材料的分配，如果没有需添加材料。 选择其中的一片磁瓦，执行Modeler/Assign Material命令，弹出材料管理器 （见右图）磁瓦为永磁铁氧体，选择Y30，单击clone material 复制材料，在先 有的材料基础上修改
Ansoft软件在同步发电机设计中的应用
０ 引 言
同步发 电机 在 工 程 设计 中最 为快 捷 的设 计 方 法 是 应用 等效 磁路 法 。等 效磁 路 法 把 电机 中不 均 匀 的
ａＡ
其 中 一Ａ 、 只有 ｚ 向分 量 ，即 Ａ＝Ａ 、Ｊ ＝Ｊ ； 方 ｓ ｓ 为第 一类 边界 ，。 上磁 位 的 已知值 ； 为第 二 类 边
进行仿真研究 。该文 以实例说明如何对具有斜槽 的同步发 电机进行仿真 ，通过 仿真结果与试 验结果对 比 ，得 到一些
定性 的结论 ，并分析误差原 因，从而可以指导今后 的产 品设计 。
关键词 ：同步交流发电机 ；供电品质 ；斜 槽 ；电磁 场
中图分类号 ：Ｔ ３ ３ Ｍ １ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１０ －８ ８ ２ １ ）９０ ２ —３ ０ １６４ （ ０ １ ０ －０ ２０
ｓｍｅ ｃ ｎ ｌ ｓｏ ｎ ｎ ｌ ｓｓ ｔｅ ｅ ｒｒｒ ａ ｏ ｏ ｏ ｃｕ ｉｎｓａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｈ ｒｏ ｅ ｓ ｎ，ｔ ｅ ｃ ｎ ｌ ｉｎｓｗｏ ｌ ｉｅ ｔｔ ｅ ｆ ｔ ｒ ｒ ｄ ｃｉ ｎ ｄ ｓｇ ｈ ｏ ｃｕｓｏ ｕ ｄ ｄ ｒ ｃ ｈ ｕ ｕ ｅ ｐ ｏ ｕ ｔｏ ｅ ｉｎ． Ｋｅ ｒ ｓ：ｓ ｎ ｈ ｏ ｕｓＡＣ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｐ ｗｅ ｕ ｉｙ； ｃ ｕ ｅ； ｅ ｅ ｔｏ ｇ ｅｉ ｅ ｄ ｙ ｗｏ ｄ ｙ ｃ ｒ ｎｏ ｅ ｅ ａｏ ； ｏ ｒｑ ａ ｔ ｌ ｈｔ ｌｃｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｆ ｌ ｉ
Ａｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｌｃ ｔｏ ｆＡｎｓ ｆ ｆｗａ ｅ ｉ ｓｇ ｆＳ ｎｃ ｒ ｎｏ ｅ ｅ ａ ｏ ｏ ｔＳｏ ｔ ｒ ｎ Ｄｅ ｉｎ ｏ ｙ ｈ ｏ ｕｓＧ ｎ ｒ ｔ ｒ
Ａ ｕｊｎ ０ Ｈ ｉ ，ＭＥ Ｇ Ｈ ｉ ｎ ，ＷＡ Ｇ Ｙ ｕｉ ｕ Ｎ ａ ｉｇ ｙ Ｎ ｏｌ ｎ （ ｈａｘ Ａｒ Ｅｅｒ ｏ Ｔ Ｓ ａ ｎ ｉ ｅ ｌ ｔｃＣ ．Ｌ Ｄ，Ｘｎｐｎ ｈ ａ ｘ ７ ３０ ，Ｃ ｉａ ｏ ｃｉ ｉｇ ｉ Ｓ ａ ｎ ｉ １ １ ７ ｈｎ ） ｇ
ANSOFT12静磁场分析案例解析
ANSOFT12静磁场分析案例解析
ANSOFT12静磁场分析案例解析
•执行Maxwell 2D/Result/Creat Fields Result/Rectangular Plot命令，弹出结果显示 对话框， Geometry选择air_gap ，Quantity选择Mag_B，单击Creat Report按钮以 波形形式显示气隙磁密
ANSOFT12静磁场分析案例解析
•单击Geometry按钮，弹出对话框，选择Line/air_gap，单击Ok按钮
ANSOFT12静磁场分析案例解析
•单击Normal（Tangant）按钮，其中Normal沿法向取值， Tangant沿切向取值。依次单击Undo、Pop按钮，单击Add按钮 添加，弹出对话框，将其Name改为B_gap，单击OK按钮， Air_gap将出现在名称表达式区域。单击Done退出场计算器
ANSOFT12静磁场分析案例解析
2、观察磁场分布 ◆将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A， 选择模型窗口中所有物体，执行Maxwell 2D/Fields/A/Flux lines命令，在弹出的场图 显示设置对话框中设定显示名称，物理量 Quantity中选择磁力线分布Flux lines，选择 所有物体allobjects可以图形显示等磁线分布
图六
ANSOFT12静磁场分析案例解析
图七
三、根据导入的模型构建几何模型
◆ 在构建几何模型之前，需要先确 定几何模型的单位系统，执行 Modeler/Units命令，进行几何模 型单位选择。
◆ 列表中默认单位是mm，当选择 新单位时，单击要选择的单位并 执行Recover to new units命令， 将模型窗口的单位转换为要选择 的单位
ANSOFT12静磁场分析案例解析
•执行Maxwell 2D/Result/Creat Fields Result/Rectangular Plot命令，弹出结果显示 对话框， Geometry选择air_gap ，Quantity选择Mag_B，单击Creat Report按钮以 波形形式显示气隙磁密
ANSOFT12静磁场分析案例解析
•单击Geometry按钮，弹出对话框，选择Line/air_gap，单击Ok按钮
ANSOFT12静磁场分析案例解析
•单击Normal（Tangant）按钮，其中Normal沿法向取值， Tangant沿切向取值。依次单击Undo、Pop按钮，单击Add按钮 添加，弹出对话框，将其Name改为B_gap，单击OK按钮， Air_gap将出现在名称表达式区域。单击Done退出场计算器
ANSOFT12静磁场分析案例解析
2、观察磁场分布 ◆将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A， 选择模型窗口中所有物体，执行Maxwell 2D/Fields/A/Flux lines命令，在弹出的场图 显示设置对话框中设定显示名称，物理量 Quantity中选择磁力线分布Flux lines，选择 所有物体allobjects可以图形显示等磁线分布
图六
ANSOFT12静磁场分析案例解析
图七
三、根据导入的模型构建几何模型
◆ 在构建几何模型之前，需要先确 定几何模型的单位系统，执行 Modeler/Units命令，进行几何模 型单位选择。
◆ 列表中默认单位是mm，当选择 新单位时，单击要选择的单位并 执行Recover to new units命令， 将模型窗口的单位转换为要选择 的单位
电机本体设计 永磁同步 ansoft
NO-LOAD MAGNETIC DATA
Stator-Teeth Flux Density (Tesla):1.03093
Stator-Yoke Flux Density (Tesla):3.06277
Rotor-Yoke Flux Density (Tesla):2.53274
Air-Gap Flux Density (Tesla):0.459301
No-Load Input Power (W):14058.7
Cogging Torque (N.m):1.10026
FULL-LOAD DATA
Maximum Line Induced Voltage (V):3.82276
Root-Mean-Square Line Current (A):224.841
Length of Rotor (mm):150
Stacking Factor of Iron Core:0.95
Type of Steel:steel_1008
Polar Arc Radius (mm):110
Mechanical Pole Embrace:0.9
Electrical Pole Embrace:0.899105
Coercive Force (kA/m):890
Maximum Energy Density (kJ/m^3):273.675
Relative Recoil Permeability:1.09981
Demagnetized Flux Density (Tesla):0
Recoil Residual Flux Density (Tesla):1.23
Layer Insulation Thickness (mm):0
Stator-Teeth Flux Density (Tesla):1.03093
Stator-Yoke Flux Density (Tesla):3.06277
Rotor-Yoke Flux Density (Tesla):2.53274
Air-Gap Flux Density (Tesla):0.459301
No-Load Input Power (W):14058.7
Cogging Torque (N.m):1.10026
FULL-LOAD DATA
Maximum Line Induced Voltage (V):3.82276
Root-Mean-Square Line Current (A):224.841
Length of Rotor (mm):150
Stacking Factor of Iron Core:0.95
Type of Steel:steel_1008
Polar Arc Radius (mm):110
Mechanical Pole Embrace:0.9
Electrical Pole Embrace:0.899105
Coercive Force (kA/m):890
Maximum Energy Density (kJ/m^3):273.675
Relative Recoil Permeability:1.09981
Demagnetized Flux Density (Tesla):0
Recoil Residual Flux Density (Tesla):1.23
Layer Insulation Thickness (mm):0
利用ANSOFT软件对同步电动机静态特性的分析
关键词 ： 限元法 ： 有 同步 电动机 ； ｎ ｏ ； 态特 性 Ａ ｓｆ 静 ｔ
中图分 类号 ：Ｂ ２ Ｔ １２ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ７ １ ８ （０ ８ ０ － １６ ０ １０ — ６ ７ ２ ０ ）８ ０ ０ — ４ 作者简 介 ： 秦新 燕（９ ７ ） 女 ， 士 ， 究方 向 为教 育技 术。 １７ 一 ， 硕 研 Ｍａｗ ｌ方程 组 是关 于 电磁场 的统 一 理论 ， ｘ ｅｌ 它用 十
２０ ０ ８年 ８月
湖北第二师范学院学报
Ｊ ｕｎ ｌ ｆＨｕ ｅ ｎｖ ｒｉ ｆ ｄ ｃ ｔ ｎ ｏ ｒ ａ ｏ ｂ ｉＵ ｉｅｓｔ ｏ ｕ ａｉ ｙ Ｅ ｏ
Ａｕ ．０ ８ ｇ２ ０
第２ ５卷 第 ８ 期
Ｖ １２ Ｎ ． ｏ ．５ ｏ８
利用 ＡＮ Ｏ Ｔ 软件 对同步 电动 机静 态特性的分析 ＳＦ
Байду номын сангаас
组 和 轴 等部 件 构 成 。 永磁 体 采 用径 向充 磁 。 电机 由四个
磁极 极 性 相 反 的永 久 磁 铁 形 成 闭合 磁 路 进 行 励 磁 ， 动 子及定 子 均采 用非 线性 的磁 性材 料 。 １ 数 学模 型 ． ２ １ ． 磁 场 参数 计 算 。 电动 机 磁 场分 析 的理 论基 础 是 ．１ ２ 麦 克 斯 韦 方 程 组 ， 用 于稳 定 电场 、 定 磁 场 等 情 况 。 适 稳 在该 模 型 中 ， 我们 主要 是 针 对 已创 建 的有 限元 模 型 ， 在 给定 的激 励 和 边界 条 件之 下 ，仿 真 模 型 中的磁 场 分 布 以及 动 子所 受 到 的转 矩 等 。有 限元 仿 真 的求解 区域 为 整个 模 型 区域 ，由于 模型 中有定 子 中三 相 绕组 和永 磁
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· １０６ ·
面、准确的计算能力，以及强大的后处理功能很好地解 决了这些问题。 利用 Ansoft 软件进行仿真可以帮助我 们认识电机的结构特征，缩短研制开发时间，并验证开 发方案的可行性等。 下面我们就基于 Maxwell 2D 二维 有限元环境建立三相四极电动机几何模型，并进行磁场 的仿真研究。 1 仿真模型建立 1.1 几何模型
· １０７ ·
差 小 于 0.5％ ， 采 用 三 角 形 自 动 剖 分 计 算 仿 真 。 在 Maxwell 2D 建立电机的二维有限元模型具体流程图见 图 4，其仿真参数表见表 1。
Bvs.hfor steel_1008
2.5
2
B（teslo）
1.5
图 6 磁通密度分布图
1
0.5
0
0
10000
定子
绕组
轴
y x
图 1 三相四极电机的几何模型示意图
如图 1 所示，电动机由动子、永磁体、定子、三相绕
收稿日期：2008-06-06
组和轴等部件构成。永磁体采用径向充磁，电机由四个 磁极极性相反的永久磁铁形成闭合磁路进行励磁，动 子及定子均采用非线性的磁性材料。 1.2 数学模型 1.2.1 磁场参数计算。 电动机磁场分析的理论基础是 麦克斯韦方程组，适用于稳定电场、稳定磁场等情况。 在该模型中，我们主要是针对已创建的有限元模型，在 给定的激励和边界条件之下， 仿真模型中的磁场分布 以及动子所受到的转矩等。 有限元仿真的求解区域为 整个模型区域， 由于模型中有定子中三相绕组和永磁 体的存在，其中永磁体也可以用电流模型进行等效，看 作磁场的源，绕组中有电流流过，所以对于该模型中的 电磁场问题，应采用矢量磁位 A 作为求解变量。
2008 年 8 月 第 25 卷第 8 期
湖北第二师范学院学报 Journal of Hubei University of Education
Aug.2008 Vo1.25 No.8
利用 ANSOFT 软件对同步电动机静态特性的分析
秦新燕
（湖北第二师范学院 物理与电子工程系， 武汉 430205）
磁链：
（7）
其中 B 是磁通密度，Ω 是面积。根据（7）式，可求出 磁通量。
电流与磁链的关系为：
图 2 同步电动机有限元剖分网格图
在建立有限元模型中， 设定动子、 定子和轴采用 M19 号钢（B－H 关系如图 3 所 示 ），定 子 中 三 相 绕 组 采 用铜，模型外围和动、定子之间均为空气介质。在创建 了仿真的几何模型、分配了材料属性、给出定子绕组中 的电流值 （三相电枢绕组中的电流采用量值型边界条 件）和赋予永磁体的特性之后，就可以在命令执行窗口 中选择设置执行参数命令，这里选转矩、磁力线以及矩 阵 ／ 磁通等仿真参数。然后设定求解的误差，我们取误
表示为一个关于 AZ 的二维泊松方程，则（4）式变为：
（8）
3×3 电感矩阵表示 a、b 和 c 三个闭合回路中磁链 与电流的关系， 其中 Laa 表示 A 线圈的自感，Lab 表示 A 线圈与 B 线圈的互感值，且 Lab＝Lba，Lac＝Lca，Lbc＝Lcb。
线圈 i 和线圈 j 的电感可由（9）计算出：
Static Characteristics Analysis of Synchronous Motor with Ansoft
QIN Xin－yan
(Department of Physics and Electronic Information, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China) Abstract: To study the magnetic field, inductance and torque, the 2-dimension (2-D) model of three phase synchronous motor is established by finite element method (FEM). Based on the 2-D model, the distribution of magnetic field, airgap magnetic flux density, torque and inductance are obtained in the case of load current by using Maxwell's equations and virtual work method. The formulations are then derived from this method. And the relationships of current, inductance and torque are obtained by numerical simulations. It is helpful to dynamic analysis and control design of the synchronous motor in next work. Key words：finite element method; synchronous motor; ansoft; static characteristics
同步电动机属于交流电机，定子绕组与异步电动机 相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场 的速度是一样的，所以称为同步电动机。三相同步电动 机在稳态运行时，转子转速与负载大小无关而始终保持 为同步转速，且其功率因数可以调节。因此在恒速负载 及需要调节功率因数的场合， 常常优先选用同步电动 机。
三相同步电动机由于结构的复杂性使得它在运行 过程中必然会产生一些参数的非线性变化， 如果以固 定参数带入方程求解势必会带来很大的精度误差，而 且其参数也很难由传统的解析法来精确确定。Ansoft 公 司提供的 Maxwell 2D 和 3D 软件是一种专门用于电磁 场仿真分析的应用软件，用它可以进行各种静电场、静 磁场、涡流以及瞬态分析等，其方便、友善的前处理界
（5）
由于模型中的定子为铁磁材料， 所以边界上磁场 感应强度的沿定子方向为零，矢量磁位为常数，用 AZ 求 解属于第一类边界条件，故令边界上的 AZ＝0。
在二维静态磁场求解中， 采用笛卡儿模型， 假定 只有 A 分量，且 Z 分布在 XY 平面内，则 B 和 A 的关系 为：
（6）
其中 AZ 可由方程（4）求出。再由（6）可求出磁感应 强度矢量→B
根据安培环路定律有：
（1）
（2）
（3） 根据（1）、（2）、（3）以上式，可以得到：
（4）
在图 1 所示的示意图中，X 轴 方 向 水 平 向 右 ，Y 轴
方向垂直向上，Z 轴方向垂直纸面向外。在这种情况下，
电
流
密
度
矢
量
→
J
和
矢
量
磁
位
→
A
都只有
Z
轴方向的分
量，因此可看作标量处理，从而在二维 XY 平面上，可以
关键词：有限元法；同步电动机；Ansoft；静态特性
中图分类号：TB122
文献标识码：A
文章编号：1007－1687（2008）0877－），女，硕士，研究方向为教育技术。
Maxwell 方程组是关于电磁场的统一理论，它用十 分简洁而优美的数学模型揭示了自然界一切宏观电磁 现象所遵循的普遍规律， 从而使得所有宏观电磁问题 都可以归结为 Maxwell 方程组在各种边界条件下的求 解问题。
计算电磁学是一门以电磁场理论为基础， 以持续 进步的计算技术为手段， 运用计算数学提供的各种方 法， 解决复杂电磁场理论和工程问题的新兴边缘交叉 学科。随着计算机技术的快速发展，计算电磁学已经被 广泛应用于各种通信、 电气装备和控制技术等电磁领 域，具有巨大的实用价值。
相比于早期的解析法和近似法，被誉为“第三种科 学方法”的数值计算方法具有不受物体形状限制，精度 高，能适合各种实际工程需要的特点。数值方法按照方 程类型大致可分为两类：一类基于偏微分方程，如时域 有 限 差 分 法 （FDTD） 和 有 限 元 法 （FEM）。 另 一 类 基 于 积 分 方 程 ， 如 矩 量 法 （MOM） 等 。 其 中 有 限 元 法 得 到 了 更 广 泛的应用： 由该方法编制的软件对于各种电磁计算问 题具有比较强的适应性，对复杂边界、多种媒质以及非 线性等问题能有效地形成方程和求解。 在电磁场数值 分析中具有很强的优越性。
图 8 电流与绕组自感关系图
图 5 磁力线分布图 · １０８ ·
图 9 绕组互感与电流函数图
有限元模型。在该模型的基础上，应用虚功原理计算了 系统在各种条件下的电磁力及磁场。通过仿真分析，设 计人员可以根据仿真结果适当调整设计参数， 使电机 的性能得到优化。
图 10 电流与转矩关系图
图 8～10 表示电流与相关电磁参数的函数关系图。 从图 8 可以看出，当电流由 0A 增加到 160A 时，A 线圈 的自感是随着电流的增加而增大的， 从 2.811 增大到 2.821mH，增大的幅度不大。从图 9 可知，绕组间的互感 基本上不随电流变化而变化。图 10 表示，当电流增大， 输出的转矩也将增大， 两者关系基本上呈现线性正比 关系。
本文通过有限元方法建立了三相同步电动机二维
参考文献： ［1］ 王 淑 红 ， 王 旭 平 ， 熊 光 煜 . 动 圈 式 永 磁 直 线 振 动 电 机 的静动态分析.微特电机，2006，（1）. ［2］辛元珍.利用 ANSOFT 软件对同步发电机空载特性 进行仿真.建材技术与应用，2006，（2）. ［3］赵科义等.基于 Ansoft 的电磁弹射器的有限元仿真. 计算机应用与软件，2006，（4）. ［4］R.Wang E.P.Furlani Z.J.Cendes.Design and Analysis of a PermanentMagnet Axial Coup ling Using 3D Finite Element Field Computations IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，VOL.30，NO.4，JULY，1994.
面、准确的计算能力，以及强大的后处理功能很好地解 决了这些问题。 利用 Ansoft 软件进行仿真可以帮助我 们认识电机的结构特征，缩短研制开发时间，并验证开 发方案的可行性等。 下面我们就基于 Maxwell 2D 二维 有限元环境建立三相四极电动机几何模型，并进行磁场 的仿真研究。 1 仿真模型建立 1.1 几何模型
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差 小 于 0.5％ ， 采 用 三 角 形 自 动 剖 分 计 算 仿 真 。 在 Maxwell 2D 建立电机的二维有限元模型具体流程图见 图 4，其仿真参数表见表 1。
Bvs.hfor steel_1008
2.5
2
B（teslo）
1.5
图 6 磁通密度分布图
1
0.5
0
0
10000
定子
绕组
轴
y x
图 1 三相四极电机的几何模型示意图
如图 1 所示，电动机由动子、永磁体、定子、三相绕
收稿日期：2008-06-06
组和轴等部件构成。永磁体采用径向充磁，电机由四个 磁极极性相反的永久磁铁形成闭合磁路进行励磁，动 子及定子均采用非线性的磁性材料。 1.2 数学模型 1.2.1 磁场参数计算。 电动机磁场分析的理论基础是 麦克斯韦方程组，适用于稳定电场、稳定磁场等情况。 在该模型中，我们主要是针对已创建的有限元模型，在 给定的激励和边界条件之下， 仿真模型中的磁场分布 以及动子所受到的转矩等。 有限元仿真的求解区域为 整个模型区域， 由于模型中有定子中三相绕组和永磁 体的存在，其中永磁体也可以用电流模型进行等效，看 作磁场的源，绕组中有电流流过，所以对于该模型中的 电磁场问题，应采用矢量磁位 A 作为求解变量。
2008 年 8 月 第 25 卷第 8 期
湖北第二师范学院学报 Journal of Hubei University of Education
Aug.2008 Vo1.25 No.8
利用 ANSOFT 软件对同步电动机静态特性的分析
秦新燕
（湖北第二师范学院 物理与电子工程系， 武汉 430205）
磁链：
（7）
其中 B 是磁通密度，Ω 是面积。根据（7）式，可求出 磁通量。
电流与磁链的关系为：
图 2 同步电动机有限元剖分网格图
在建立有限元模型中， 设定动子、 定子和轴采用 M19 号钢（B－H 关系如图 3 所 示 ），定 子 中 三 相 绕 组 采 用铜，模型外围和动、定子之间均为空气介质。在创建 了仿真的几何模型、分配了材料属性、给出定子绕组中 的电流值 （三相电枢绕组中的电流采用量值型边界条 件）和赋予永磁体的特性之后，就可以在命令执行窗口 中选择设置执行参数命令，这里选转矩、磁力线以及矩 阵 ／ 磁通等仿真参数。然后设定求解的误差，我们取误
表示为一个关于 AZ 的二维泊松方程，则（4）式变为：
（8）
3×3 电感矩阵表示 a、b 和 c 三个闭合回路中磁链 与电流的关系， 其中 Laa 表示 A 线圈的自感，Lab 表示 A 线圈与 B 线圈的互感值，且 Lab＝Lba，Lac＝Lca，Lbc＝Lcb。
线圈 i 和线圈 j 的电感可由（9）计算出：
Static Characteristics Analysis of Synchronous Motor with Ansoft
QIN Xin－yan
(Department of Physics and Electronic Information, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China) Abstract: To study the magnetic field, inductance and torque, the 2-dimension (2-D) model of three phase synchronous motor is established by finite element method (FEM). Based on the 2-D model, the distribution of magnetic field, airgap magnetic flux density, torque and inductance are obtained in the case of load current by using Maxwell's equations and virtual work method. The formulations are then derived from this method. And the relationships of current, inductance and torque are obtained by numerical simulations. It is helpful to dynamic analysis and control design of the synchronous motor in next work. Key words：finite element method; synchronous motor; ansoft; static characteristics
同步电动机属于交流电机，定子绕组与异步电动机 相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场 的速度是一样的，所以称为同步电动机。三相同步电动 机在稳态运行时，转子转速与负载大小无关而始终保持 为同步转速，且其功率因数可以调节。因此在恒速负载 及需要调节功率因数的场合， 常常优先选用同步电动 机。
三相同步电动机由于结构的复杂性使得它在运行 过程中必然会产生一些参数的非线性变化， 如果以固 定参数带入方程求解势必会带来很大的精度误差，而 且其参数也很难由传统的解析法来精确确定。Ansoft 公 司提供的 Maxwell 2D 和 3D 软件是一种专门用于电磁 场仿真分析的应用软件，用它可以进行各种静电场、静 磁场、涡流以及瞬态分析等，其方便、友善的前处理界
（5）
由于模型中的定子为铁磁材料， 所以边界上磁场 感应强度的沿定子方向为零，矢量磁位为常数，用 AZ 求 解属于第一类边界条件，故令边界上的 AZ＝0。
在二维静态磁场求解中， 采用笛卡儿模型， 假定 只有 A 分量，且 Z 分布在 XY 平面内，则 B 和 A 的关系 为：
（6）
其中 AZ 可由方程（4）求出。再由（6）可求出磁感应 强度矢量→B
根据安培环路定律有：
（1）
（2）
（3） 根据（1）、（2）、（3）以上式，可以得到：
（4）
在图 1 所示的示意图中，X 轴 方 向 水 平 向 右 ，Y 轴
方向垂直向上，Z 轴方向垂直纸面向外。在这种情况下，
电
流
密
度
矢
量
→
J
和
矢
量
磁
位
→
A
都只有
Z
轴方向的分
量，因此可看作标量处理，从而在二维 XY 平面上，可以
关键词：有限元法；同步电动机；Ansoft；静态特性
中图分类号：TB122
文献标识码：A
文章编号：1007－1687（2008）0877－），女，硕士，研究方向为教育技术。
Maxwell 方程组是关于电磁场的统一理论，它用十 分简洁而优美的数学模型揭示了自然界一切宏观电磁 现象所遵循的普遍规律， 从而使得所有宏观电磁问题 都可以归结为 Maxwell 方程组在各种边界条件下的求 解问题。
计算电磁学是一门以电磁场理论为基础， 以持续 进步的计算技术为手段， 运用计算数学提供的各种方 法， 解决复杂电磁场理论和工程问题的新兴边缘交叉 学科。随着计算机技术的快速发展，计算电磁学已经被 广泛应用于各种通信、 电气装备和控制技术等电磁领 域，具有巨大的实用价值。
相比于早期的解析法和近似法，被誉为“第三种科 学方法”的数值计算方法具有不受物体形状限制，精度 高，能适合各种实际工程需要的特点。数值方法按照方 程类型大致可分为两类：一类基于偏微分方程，如时域 有 限 差 分 法 （FDTD） 和 有 限 元 法 （FEM）。 另 一 类 基 于 积 分 方 程 ， 如 矩 量 法 （MOM） 等 。 其 中 有 限 元 法 得 到 了 更 广 泛的应用： 由该方法编制的软件对于各种电磁计算问 题具有比较强的适应性，对复杂边界、多种媒质以及非 线性等问题能有效地形成方程和求解。 在电磁场数值 分析中具有很强的优越性。
图 8 电流与绕组自感关系图
图 5 磁力线分布图 · １０８ ·
图 9 绕组互感与电流函数图
有限元模型。在该模型的基础上，应用虚功原理计算了 系统在各种条件下的电磁力及磁场。通过仿真分析，设 计人员可以根据仿真结果适当调整设计参数， 使电机 的性能得到优化。
图 10 电流与转矩关系图
图 8～10 表示电流与相关电磁参数的函数关系图。 从图 8 可以看出，当电流由 0A 增加到 160A 时，A 线圈 的自感是随着电流的增加而增大的， 从 2.811 增大到 2.821mH，增大的幅度不大。从图 9 可知，绕组间的互感 基本上不随电流变化而变化。图 10 表示，当电流增大， 输出的转矩也将增大， 两者关系基本上呈现线性正比 关系。
本文通过有限元方法建立了三相同步电动机二维
参考文献： ［1］ 王 淑 红 ， 王 旭 平 ， 熊 光 煜 . 动 圈 式 永 磁 直 线 振 动 电 机 的静动态分析.微特电机，2006，（1）. ［2］辛元珍.利用 ANSOFT 软件对同步发电机空载特性 进行仿真.建材技术与应用，2006，（2）. ［3］赵科义等.基于 Ansoft 的电磁弹射器的有限元仿真. 计算机应用与软件，2006，（4）. ［4］R.Wang E.P.Furlani Z.J.Cendes.Design and Analysis of a PermanentMagnet Axial Coup ling Using 3D Finite Element Field Computations IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，VOL.30，NO.4，JULY，1994.