基于Ansoft电机仿真分析

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基于Ansoft的无刷直流电机设计与分析

基于Ansoft的无刷直流电机设计与分析

基于 Ansoft的无刷直流电机设计与分析摘要:无刷直流电机集各种相关科技的发展成果于一身,克服了电刷和换向器带来的缺点,保留了良好的机械特性与调节特性,使之逐渐在各领域崭露头角。

利用 Ansoft 软件,设计一款额定转速 5200 r /min,12 槽 16 极三相永磁无刷直流电机,从电机的结构尺寸、永磁材料方面分析了电机的设计要求。

利用软件中的RMxprt 和 Maxwell 模块建立了电机的仿真模型,得到了空载和负载情况下电机性能曲线。

最后制造出原理样机并搭建了测试平台进行试验,获得了电机的机械特性曲线。

结果表明: 电机工作稳定满足设计要求。

关键词:Ansoft; 无刷直流电机; 电机设计我国的风机数量巨大,耗电量惊人,风机节能越来越受到大家的关注,而变速节能是风机节能领域的重要环节。

永磁无刷直流电机可以通过控制电路的占空比来进行无极调速,且调速范围宽,还有具有不失步、功率密度高和高效节能等优点,特别适合在通风机等风机节能领域中使用。

永磁无刷直流电机是一种不需要机械电刷的新型电机,因其结构简单、可靠性好、效率高,在工业领域得到广泛应用,近些年,出现了无位置传感器的无刷直流电机,由于不需要传感器检测转子的位置,使得电机的结构更加简单,进一步增强了电机的可靠性,扩大了电机的使用范围。

一、永磁无刷直流电机从发明至今,直流电机不论是在家用电器还是工业通用领域都有着广泛的应用。

然而,由于直流电机的换相均通过电流换相完成,传统的直流电机的换相都是通过机械电刷和换向器完成,在其接触面上不可避免地存在摩擦,这些摩擦就造成了火花产生、噪音出现、维修困难的缺点,除此之外,制造成本也限制了其发展。

半导体技术的兴起推动了电力电子技术的发展,大功率电子开关器件得到广泛应用,经过长期的应用,这种电机的优点逐渐体现出来,比如:更加优秀的转矩转速特性、高速动态响应、高效率、长寿命、低噪声、高转速、无换向火花、运行可靠和易于维修等[1]。

基于Ansoft的永磁同步发电机建模与仿真

基于Ansoft的永磁同步发电机建模与仿真
800 600 400 emt (V) 200 0 -200 -400 -600 -800 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Back EMF vs Time
(11)
从而在每一时间段有限元模型中每一点都
图2 带外电路的PMSG 仿真系统结构
2.4 模型的网格剖分 有限元法应用于电磁场的实质就是把连续 的电磁场问题变为离散系统的问题来求解, 电机 模型的离散化就是通过网格剖分来实现的, 它直 接影响有限元计算结果的精确性。A n s o f t 具有 自适应网格剖分的功能, 自适应网格加密技术的 前提是网格的自动剖分。 自动剖分主要是根据场 域的几何结构来进行的, 自适应网格剖分是在此 基础上根据对场量分布求解后的结果对网格进 行增加其剖分密度的调整。 首先对电机模型进行 自动剖分, 如图3所示, 此自动剖分比较稀疏, 影 响计算的准确性, 需要对其加密。 理论上网格越 密, 计算的就越准确, 但考虑到计算机资源以及 计算时间因素, 我们只需要重点加密磁场变化率 较大的气隙部分, 得到的剖分图如图4所示。
t /s
图3
初始化的网格剖分
图4
加密处理后的网格剖分
6
图5
B 相反电动势波形
Winding Current vs Time
3
仿真结果及其分析
emt (V)
4 2
麦克斯韦方程的微分形式为: ∂A ×ν ×A=Js - σ — - σ ν + ×Hc+σν× ×A (10) ∂t 其中: Hc —永磁体的矫顽力; ν —运动物体的速度; A—磁矢量;
陶永根
据上海华东钢 材市场消息, 今 年以来国内钢 材市 场上的冷、 热轧硅钢片因受上游原材料涨价的影响, 有 关钢厂以 “成本推动” 为由, 较大幅度调高了出厂价, 对 此, 市场上反应较为平静, 下游企业观望气氛浓厚, 市场 行情处于 “不冷不热” 的 “温吞水” 态姿。 尤其是二季度 4月份, 市场行情虽然稳中有升但无法改变出厂高, 市场 价格低的 “倒挂”行情, 使硅钢片流通 “陷入困境” , 这 与有关钢厂调高出厂价时看好后市预期形成了强烈的反 差。二季度是下游企业生产旺季, 为什么对硅钢片需求 未出现 “火爆” 现象呢? 有关业内人士分析认为: 要客观理性看待国内硅钢 片市场需求正在发生的变化。 较长时间以来, 以硅钢片 为主要原材料之一的电机、家电产品出口相当旺 盛, 几 乎每年以二位数百份比增长率上升。然而, 在 2007 年电 机总产量中: 出口电机 2157.1万 kW, 同比增长 20.3%, 增 2008 年一季度, 速同比反而减慢 6.4% 。 家电出口方面, 冰箱共出口404万台, 同比增长仅 2.5%; 出口家用空调器 1170万台, 同比增长 6.6%; 洗衣机出口356万台, 同比增长 11.3%; 吸尘器出口1970万台, 同比增长 3.2%; 微波炉出 口1046万台, 同比下跌5.3%; 电风扇出口同比下降15.7%。 电机、家电出口增幅趋缓, 对硅钢片需求有不同程度的

基于Ansoft的永磁电机定子匝间短路故障仿真实现方法

基于Ansoft的永磁电机定子匝间短路故障仿真实现方法

基于Ansoft的永磁电机定子匝间短路故障仿真实现方法随着第三代永磁材料成本下降,永磁电机以其高效节能的突出优势已成为当今工业电机、风力发电以及电动汽车驱动电机的首选。

永磁电机的广泛应用,使得其故障研究已成为关注的热点。

本文对永磁电机定子匝间短路故障的模拟方法进行了研究,提出在Ansoft软件环境下,可以通过改变定子绕组匝数和激励源的大小两种方法实现,求解后便可得到永磁电机匝间短路后的故障性能曲线和参数。

标签:永磁;电机;定子;匝间短路1 引言永磁电机因其用永磁体代替了转子上的励磁绕组,使其具有效率高、体积小、节能效果明显等特点,致使传统电机本体的永磁化是其重要的发展方向,同时也成为节能产品首选电机机型,常见的永磁电机主要包括永磁同步电机,永磁无刷直流电机,永磁直线电机等。

永磁电机在长期连续运行过程中,如果外界条件比较恶劣,将有可能引发各种故障,而定子匝间短路故障是最常见的故障之一,如不能及时发现,将会进一步恶化,发展为严重的单相接地故障和相间故障,甚至破坏性更大的三相短路故障,影响生产的产品质量和所拖动机械设备的工作状态。

随着永磁电机在汽车工业、航空系统、电力产业等行业的广泛应用,吸引了更多学者对永磁电机故障展开研究,而电机的故障实验研究是一项破坏性研究,因此仿真分析方法是电机故障研究常用的方法,在仿真分析的基础上对电机故障进行研究更具有目的性,同时也为故障实验的研究提供依据,基于此,本文对永磁电机定子匝间短路故障的仿真实现方法进行了探索。

2 永磁电机仿真模型的建立Ansoft软件是有限元(FEM)数值分析方法的一种,可以用来分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的各种特性[1],其所所建模型能够反映电机内部各种因素的影响。

本文以Ansoft/Maxwell为仿真平台,仿真电机为丰田混合动力车驱动用永磁同步电机,其额定功率为42kW,永磁体呈V型分布,定子绕组为单层线圈结构,极对数为4,定子槽数为48。

基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析

基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析

基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析永磁无刷直流电机(BLDC)具有体积小、起动转矩大、温升低、高功率等诸多优点。

在微电机领域,永磁无刷直流电机颇具潜力和优势,随着相关技术的不断发展其必将在小电机领域占据主导地位。

文章运用有限元软件Ansoft Maxwell,在Maxwell 2D环境下建立BLDC模型,对BLDC空載及负载时的磁场及电机性能进行了仿真分析。

其次,使用等效磁路软件RMxprt,利用参数变量分析法,完成了齿槽转矩的优化分析;同时,研究分析了定子槽型、导线直径、气隙长度、极弧系数对永磁无刷直流电机某些性能的影响,通过RMxprt仿真分析结果,可以为优化电机设计参数提供依据。

标签:永磁无刷直流电机;有限元分析;优化分析引言永磁无刷直流电机是一种新型电机,是电机技术、电力电子技术、微电子技术与控制理论相结合的一体化电机,具有结构简单、单位出力大、易于控制、较广的调速范围、效率高、损耗小等优点,被广泛应用于国防、航空航天、工农业、医疗设备和日常生活领域[1-3]。

对于永磁无刷直流电机性能的分析仿真已经成为了电机领域热点研究问题。

在永磁无刷直流电机的性能分析法中,常用的有状态方程仿真法、直流电机分析法、等效磁路法、电磁场有限元法等。

由于电磁场有限元分析法能够综合考虑铁磁材料的非线性及参数的变化,被广泛应用与电机分析。

文章采用Ansoft Maxwell对电机磁场分布和变化比较复杂的永磁无刷直流电机进行分析,同时运用RMxprt分析电机参数变化对电机性能的影响。

1 永磁无刷直流电机有限元分析模型文章所研究电机为内转子结构,所分析电机参数如表1所示[8-9]。

由于磁场随转子位置而时刻变化,采用部分场域分析的方法,边界条件较难确定,因此文章采用全场域分析的方法[5-6]。

为了建立永磁无刷直流电动机内部磁场的微分方程,确定求解区域和有限元求解的边界条件,作如下假设:(1)忽略电机端部磁场效应,磁场沿轴向均匀分布,矢量磁位A和电流密度J只有轴向分量Az和Jz,故磁感应强度只有Bx和By分量;(2)忽略转子铁心中的涡流、磁滞损耗;(3)磁场仅被限制于电机的内部,定子的外部边界及转子的内部边界认为是零矢量磁位线;(4)不计交变磁场在导电材料中如定子绕组及机座中的涡流反应。

基于Ansoft 12的小功率开关磁阻电动机仿真研究

基于Ansoft 12的小功率开关磁阻电动机仿真研究

对 小功 率开 关磁 阻电动机 在 小型 电动 车上 的应 用有一 定 的参考 作 用 。
关 键 词 : 关 磁 阻 电 动 机 ; sf M a we ; 开 An ot x l 电动 车 l 中 图分 类号 : TM 5 32 文献标 志 码 : A
LI ua c N Y n hun, Y E n Ba gya n
( c o lo e h n c la d Au o tv g n e ig,S u h C i a Un v r iy o c n l g ,Gu n z o 1 6 0 S h o fM c a ia n t mo i e En i e rn o t h n i e st fTe h o o y a g h u 5 0 4 ,Ch n ) ia Ab ta t Lo p we wi h d r l ca c o o ( RM )h sb e d s r a l s d i malee t i c r u h a o ft u i m sr c : w— o rs t e e u t n em t r S c a e n wi e p e d y u e n s l l c rc a s s c s g l o rs
基 于 An ot sf 1 2的小功 率 开 关磁 阻 电动机 仿 真研 究
林 远春 , 叶邦 彦
( 南理工大 学 机械 与汽车工程 学院, 东 广州 504) 华 广 1 6 0
摘 要 : 近年 来 , 小功 率 开 关磁 阻 电 动机 ( wi h dReutn eMoo , S t e lca c tr 简称 S M) 小型 电动 车 中 c R 在 ( 高 尔夫观 光 电动 车 、 逻 车 等) 应 用越 来越 广 , 文基 于 An ot 件 的 R 如 巡 的 本 sf 软 Mx r 模 块 建 立 4相 8 6 pt /

基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析

基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析

基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要:为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性,本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。

以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ,首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置;然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异;最后提供了此仿真方法的问题与改进思路,为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。

关键词:Ansoft;退磁引言在压缩机的应用工况下,为了保持整套系统的高可靠性,压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估,使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。

对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说,永磁体退磁是一个重要的指标[1]。

为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果,永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。

当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁,整个电机将不再运行于最佳工作状态,进而影响到压缩机的性能。

因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。

目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为:并接电机绕组某两相,给绕组通入电流使转子自动定位,并固定电机转子此时位置,随后通入反向电流,并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值,以该值下降 3 % 为限定标准。

但是,目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线,并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值,按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。

以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况,因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性,以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能,本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。

1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定,仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况,按照 3 % 磁链降低为界限限定。

基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究

基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究

河北工业大学硕士学位论文基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究姓名:高洁申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:孙鹤旭20081101河北工业大学硕士学位论文基于Ansoft 的开关磁阻电机有限元分析与研究摘要开关磁阻电机是近年来随着电力电子技术和控制技术的发展而诞生的一种特种电机,并以其结构简单、坚固、成本低廉、起动转矩大、效率高等优点,在许多领域得到了广泛的应用。

利用电机电磁场理论和有限元法进行开关磁阻电机磁场分析与计算,在其研究中占据至关重要的地位,它是整个电机设计和运行性能分析的基础。

由于开关磁阻电机结构与传统的交直流电机具有很大的差别,加之其显著边缘效应及高度的过饱和特性,以路的观点进行电机性能的理论分析便显出很大的局限性;相反地,以场的观点,全面、系统地分析电机性能,以便进行电机设计、性能分析及仿真计算,便显示出极大的优越性。

本论文以开关磁阻电机电磁场的有限元分析为主题开展研究工作,在系统总结电机电磁场以及工程电磁场数值计算理论的基础上,基于工程电磁场有限元分析软件Ansoft ,采用全场域的分析方法,对开关磁阻电机的磁场分布、静态特性等进行了大量的仿真分析与研究。

一方面得出了开关磁阻电机在几个典型转子位置下的磁场分布图,并据此总结了电机内磁场的分布规律;另一方面绘制出了开关磁阻电机的非线性磁化曲线族,即ψ-θ-i 关系曲线、电感曲线和静态转矩曲线等静态特性曲线。

此外,本论文还分析了开关磁阻电机的稳态温升,建立了其等效磁网络模型,并对开关磁阻电机的稳态特性进行了仿真研究,计算出了电机在稳态运行情况下的相电流、磁链以及动态转矩等曲线。

同时,针对开关磁阻电机运行过程中存在转矩脉动的缺点,本论文还讨论了其减振降躁的一些具体措施。

由仿真结果可知,本论文所建立的开关磁阻电机二维有限元分析模型计算出的性能参数是比较准确可靠的,同时也说明本论文所提出的等效磁网络模型对SRM 稳态特性的研究具有较高的精度,从而为对开关磁阻电机的工作原理和内部电磁关系作系统而详细的分析,研究其工作特点和内在规律,对开关磁阻电机性能校核与稳态特性研究以及进行有效的电机电磁设计工作提供了可靠的依据。

基于ANSOFT开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究

基于ANSOFT开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究
观 点 , 确 的建 立 电机 模 型 , 面 、 精 全 系统 地 分析
和三 维 有限 元模 型, 采用 不同控 制策 略对开 关磁 阻电机 有 限元 模 型 进行 动 态 仿真 研 究 。 有 限元 仿真 结果 与 将 MAT AB仿真结果进行 比较 , 果表明有 限元法建 立的 L 结
理论与设计
基于A O T NS F 开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究
凌岳伦 王勉 华 王 岩 石 磊 温 东 园
西安 科技 大 学 ( 10 4) 705
Si ul to t yO l o ei ga d Co to t ae yo m a in S ud l M d ln n n r l r t g f S
应 在转 子齿对槽的位置 附近是比较严重的 , 解 决 这一问题 的有效方法就是 采用三维有限元分


本 文 以86 开 关 磁 阻电机 为研 究 对 象 , /极 建
立 其二 维 和 三维 有 限元 模 型 , 对开 关磁 阻 电机 的
t ev r c t n c u a y o i ieee e tmo e , h h e a iy a d a c r c ffn t lm n d l t e
smu a i n r s lso n t l me tmo e n AT i l t e u t ff ie ee n d la d M o i LAB
ha e o pa e ve be n c m r d.Th e ul ndi t d t tt nie e r s ti ca e ha he f t i
模 型 及其驱 动系统 有 利于对 电机 转 矩和 磁链 特 性进 行
准 确分析, 同时能 指导开 关磁 阻电机 及其 控制系统 的设
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基于Ansoft的电机仿真分析
【摘要】根据电机原理和结构特点,利用ansoft公司的maxswell 系列软件的高精度仿真计算能力,建立电机的仿真模型,对电机性能仿真模拟。

最终通过仿真结果来修正部分参数以及参数优化设计,为电机设计提供便利条件。

【关键词】电机性能仿真模拟优化设计
【中图分类号】 o44 【文献标识码】a
1引言
设计过程中,为了减少试验次数,降低开发成本,缩短开发周期,提高产品设计质量,设计人员需要一种能对所做的设计进行快速、精确评价分析的工具,而不在仅仅依靠以往积累的知识经验及实验验证[1]。

ansoft系列软件高精度计算能力使得仿真结果与实际试验结果具有一致性。

本次采用rmprxt和maxwell相结合进行仿真。

rmprxt直观的界面能方便的输入定子、转子、和铁芯的几何形状、绕组结构、材料特性和机械负荷类型的电动机专门数据、快速得到在稳态,无负荷,全负荷,额定工况电流、转矩和效率曲线图和参数。

同时能自动确定最小几何槽型,为绕组选择合适的线径,能maxwell结合而作为有限元分析的前处理器[2]。

将它作为设计人员的工具,可以分析电机固定参数设计的合理性,电机动态过程,电机参数的精确性。

设计人员可以快捷地实现“设计-校核-再设计”,为电机设计提供良好的平台。

本文对一个三相异步电机建模、仿真,并分析其性能。

2建模与仿真
2.1有限元模型建立
在rmxprt环境下对电机数据输入,并计算。

然后利用maxwell 并根据计算结果自动生成有限元模型。

有限元建模以及计算的步骤如下[3]:
(1)生成有限元模型。

(2)确定电机材料属性。

(3)设立边界条件和外激励条件。

(4)确定动态参量。

(5)设定求解内容。

(6)求解和结果后处理。

输入和计算所得到的电机主要参数如表1所示。

根据计算结果自动生成的电机有限元模型。

2.2基本性能参数仿真结果
建立有限元模型后,根据不同的仿真目标选择计算正确算法,边界条件,外激励条件等内容的选择。

这一过程中要确保选择的条件与实际近似,不然结果将出现偏差。

本次将以效率、输出功率、输出转矩,综合特性等基本性能作为目标进行模拟计算,并得到各自的特性曲线,分别如图1、2、3、4所示。

通过仿真计算得到的曲线分析电机性能。

从本次仿真的结果来看,该电机效率,功率,转矩值较大的时候所对应的转速区域较窄且转速高,从而使得该电机维持在高效,大功率,大转矩或者附近
工作的机会较少,会造成电机工作损失能耗加大,效率低。

设计人员根据结果和设计你要求对参数改进,使电机性能尽量达到最优。

2.3其他性能仿真计算
上述模拟了一些基本性能,只能反映电机最基本的特性。

电机在特殊工况下的诸多性能直接影响电机工作的稳定,使用寿命,故障率等。

ansoft二维和三维有限元电机设计分析和优化软件可以进行基于参数的电机设计方案探索、比较,电机静态和动态分析电机参数计算,电机故障软件模拟分析-如导条断裂、绝缘击穿,异步电机,无刷电机等在变频器供电下(非正弦供电)下的特性分析,电机驱动电路与有限元的耦合仿真,在考虑材料非线性等情况下解决关如下问题,如:转矩脉动、损耗、温升、转矩、转速特性、效率[2]。

本次采用突然加载这一特殊工况来考察分析电机的性能变化特点。

考虑突然加载这一特殊工况,电机须有较大感应灵敏度和承受能力,需对气隙调整,通常的做法是在定转子气隙处加入钢套。

空载运行1.5后突然对电机加满载后,一些性能计算结果如下。

本过程实施了突然加载下的转矩,转速,电流,电压等的仿真计算,通过这一过程可以考察电机特殊工况下的反映能力,快速达到稳定工作状态的能力。

3结论
利用ansoft系列软件成功对电机进行路得方法计算,利用计算结果生成有限元分析模型,在此模型的基础上对电机的基本参数如;功率,转速,效率进行仿真分析,对仿真结果提出建议。

考察
电机在突然加载情况下,到达稳定工作状态下部分参数随时间的变化特点,反映了电机特殊工况反应能力,适应能力。

掌握了ansoft 软件各模块的功能和利用它搭建电机设计快速校核的平台过程,为电机设计提供指导。

参考文献:
[1]袁显举.基于hyperworks软件的轿车刚性碰撞有限元分析[j].中国科技论文在线精品论文,2009,2(17):1803~1806.
[2]/
[3]黄越等.基于ansoft 的永磁交流伺服电动机转矩波动分析[j].电气技术,2008,4.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文。

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