基于ANSYS的开关磁阻电机静态电磁分析
基于Ansys_Maxwell的电磁式磁滞张力器仿真分析
第一作者简介:王庆东(１９９５ )ꎬ男ꎬ安徽六安人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为智能机电系统ꎮＤＯＩ:１０.１９３４４/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７１－５２７６.２０２２.０１.０３２基于ＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌ的电磁式磁滞张力器仿真分析王庆东ꎬ夏港东ꎬ秦浩杰ꎬ周文聪ꎬ张昊(南京航空航天大学机电学院ꎬ江苏南京２１００１６)摘㊀要:介绍一种磁滞张力器的结构和工作原理ꎬ借助ＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌ软件的静态㊁瞬态场求解器对张力器的磁场分布进行了数值计算ꎬ得到了张力器内部的磁力线走向以及转子表面的磁感应强度分布云图ꎬ研究了电流㊁磁极相对角度㊁气隙等参数对磁滞转矩大小的影响ꎮ遵循单一变量原则ꎬ得出各影响因素在各自变化范围内的最优解ꎬ为后续对该类型张力器的设计制造与升级优化提供了依据ꎮ关键词:电磁式ꎻ张力ꎻ磁滞转矩ꎻ仿真中图分类号:ＴＳ１０３.８㊀㊀文献标志码:Ｂ㊀㊀文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０１￣０１２４￣０４ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＨｙｓｔｅｒｅｓｉｓＴｅｎｓｉｏｎｅｒＢａｓｅｄｏｎＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌＷＡＮＧＱｉｎｇｄｏｎｇꎬＸＩＡＧａｎｇｄｏｎｇꎬＱＩＮＨａｏｊｉｅꎬＺＨＯＵＷｅｎｃｏｎｇꎬＺＨＡＮＧＨａｏ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｅｎｓｉｏｎｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ＴｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｎｓｉｏｎｅｒꎬｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｉｅｌｄｓｏｌｖｅｒｏｆＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌｓｏｆｔｗａｒｅꎬｉｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｔｒｅｎｄｉｎｔｅｎｓｉｏｎｅｒａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｏｎｒｏｔｏｒｓｕｒｆａｃｅｉｓａｂｔａｉｎｅｄ.Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｕｒｒｅｎｔꎬｍａｇｎｅｔｉｃｐｏｌｅｒｅｌａｔｉｖｅａｎｇｌｅꎬａｉｒｇａｐａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｖｅｒｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｏｒｑｕｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄ.Ｂｙｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｓｉｎｇｌｅｖａｒｉａｂｌｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇꎬｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｎｓｉｏｎｅｒｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｔｙｐｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃꎻｔｅｎｓｉｏｎꎻｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｏｒｑｕｅꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀引言在纺织加工过程中ꎬ纱线张力是一个十分重要的参数ꎬ从纺纱到织造的各个工序ꎬ张力的大小和稳定直接关系到产品质量㊁生产效率以及后续加工的顺利进行[１]ꎮ因此ꎬ纱线张力器成为控制纱线张力必不可少的装置ꎮ目前市售的纱线张力器以机械式为主ꎬ常见的有空气阻尼式以及油阻尼式ꎬ如图１所示[２]ꎮ相比较而言ꎬ传统的机械式纱线张力器往往具有结构简单㊁维修和操作方便等诸多优点ꎬ然而其缺点也尤为明显ꎬ如:１)张力控制精度低ꎬ一致性差ꎻ２)张力器工作过程中始终与纱线产生摩擦ꎬ容易损伤纱线ꎻ３)自动化程度低ꎬ无法由计算机进行控制ꎮ为满足纺织行业不断提高的标准要求ꎬ纱线张力器逐渐朝着自动化㊁智能化方向发展ꎮ近年来国外出现了一种高档纺织机械 电磁式磁滞纱线张力器[３－５]ꎮ相较于传统机械式张力器而言ꎬ该张力器的最大特点是可以通过计算机对纱线张力进行实时的㊁连续的调节ꎮ由于采用计算机进行控制ꎬ既可以灵活地对单根纱线的张力进行控制ꎬ也可以实现大范围的群控[６]ꎮ此外ꎬ该张力器还可以连接到非接触式张力监测系统ꎬ从而实现对纱线张力的闭环控制ꎬ因而具有广阔的应用前景[７]ꎮ本文立足于国内外相关理论研究成果ꎬ借助有限元分析方法对该类型张力器的特性进行研究ꎬ为其日后在国内市场的广泛应用奠定了基础ꎮ(a) /!K (b) !K图１㊀常见纱线张力器１㊀电磁式磁滞张力器的结构及原理电磁式磁滞张力器是基于电磁阻尼原理实现对纱线张力控制的[８]ꎬ其结构如图２所示ꎮ外部静壳体８将整个结构包裹在内ꎬ形成封闭的磁回路并同时隔绝外部磁场的干扰ꎮ磁芯５由具有高磁导率的软磁材料制成ꎬ聚集内部的磁场能量ꎮ转轴７在滚珠轴承３的支撑下ꎬ一端与抱线轮１固连ꎬ另一端通过法兰与转子６连接ꎮ励磁线圈４均４２１ 博看网 . All Rights Reserved.匀缠绕在线圈架上并将磁芯５包含在内侧ꎮ张力器工作时ꎬ线圈４通电ꎬ抱线轮在纱线的主动牵引下转动ꎮ另一端ꎬ由磁滞材料制成的转子６作为耗能元件被动旋转ꎬ消耗磁场能量ꎬ产生阻碍纱线运动的磁滞转矩ꎬ使纱线受到张力作用[９]ꎮ调整线圈４两端电压的大小即可改变磁滞转矩ꎬ实现对纱线张力大小的调节ꎮ线圈未通电时ꎬ转子在磁芯５间自由旋转ꎬ其阻力仅来源于轴承３处的摩擦力ꎮ128-1657843213-13-276548-2１ 抱线轮ꎻ２ 磁芯①ꎻ３ 轴承ꎻ４ 线圈ꎻ５ 磁芯②ꎻ６ 转子ꎻ７ 轴ꎻ８ 外壳ꎮ图２㊀电磁式磁滞张力器结构图该张力器的具体性能要求如表１所示ꎮ表１㊀张力器的性能要求名称具体参数输出力矩/(ｍＮ ｍ)１０~３０范围内线性可调力矩性质力矩恒定工作转速/(ｒ/ｍｉｎ)１０００２㊀仿真模型的建立分析电磁场问题时传统的方法是从模型中抽象出一个等效的磁路ꎬ再采用解析的方法分析其磁场ꎮ由于电磁式磁滞张力器的磁路较为复杂ꎬ这使得利用解析法研究其磁场较为困难[１０]ꎬ而有限元法的广泛应用为解决该类问题提供了极大的便利ꎮ本文以课题组研制的一款电磁式磁滞张力器为例ꎬ利用Ｍａｘｗｅｌｌ软件对该张力器进行仿真分析[１１]ꎮ由于张力器的结构不具有空间对称性ꎬ无法将三维磁场计算问题转化为二维来处理ꎬ因而需要建立完整的三维有限元模型[１２]ꎮ此外ꎬ为降低问题分析的复杂性ꎬ作出以下假设[１３－１４]ꎮ１)忽略转子的涡流效应和软磁材料(定子磁芯及外壳)的磁滞损耗ꎻ２)转子的转速保持不变ꎻ３)励磁绕组由空心圆柱体等效替代ꎬ绕组内部电流密度分布均匀ꎮ张力器的主要参数如表２所示ꎬ相关参数定义如图３所示ꎮ定子磁芯及外壳均选择具有高磁导率的电工纯铁ＤＴ４ꎬ励磁线圈定义为铜材料ｃｏｐｐｅｒꎬ选择ＦｅＣｒＣｏ材料作为转子材料并在软件内部将其定义为磁滞型材料ꎮ软件内部自带的材料库中并不包含ＤＴ４和ＦｅＣｒＣｏ材料ꎬ需要从外界导入两种材料的Ｂ－Ｈ曲线ꎮ由于忽略了涡流效应的影响ꎬ两种材料的电导率均设为０ꎮ线圈绕组安匝数设为３４２Ａꎬ指定求解域属性为空气ꎮ在瞬态场分析模块中ꎬ还需要额外定义运动区域ｂａｎｄꎬ将转子包含在内ꎬ并设置其绕ｚ轴转速为１０００ｒ/ｍｉｎꎮ此外ꎬ设置仿真时长为２０ｍｓꎬ计算步长为０.２ｍｓꎮ表２㊀张力器的主要参数转子外径Ｒ２/ｍｍ转子内径Ｒ１/ｍｍ转子厚度Δ/ｍｍ气隙大小Ｌｇ/ｍｍ磁极高度Ｈ/ｍｍ磁极角度α/(ʎ)磁极个数ｐ１５.７５４１.４０.４１.７７８HL gΔL gαR 1R 2D图３㊀相关参数定义３㊀仿真结果借助Ｍａｘｗｅｌｌ软件的静态磁场求解器ꎬ通过数值计算ꎬ得到了张力器内部磁感应强度分布ꎬ如图４所示ꎮ从图中可以看出ꎬ磁力线主要集中在张力器内部的磁性材料上ꎬ并依次穿过定子磁极㊁气隙㊁转子最终汇聚于张力器外壳ꎬ形成一个封闭的内部磁回路ꎮ图５为转子表面磁感应强度分布云图ꎮB [tesla]1.200 01.120 01.040 00.960 00.880 00.800 00.720 00.640 00.560 00.480 00.400 00.320 00.240 00.160 00.080 00.000 0图４㊀张力器磁感应强度分布及磁力线走向1.411 61.320 01.228 41.136 81.045 20.953 60.862 00.770 40.678 70.587 10.495 50.403 90.312 30.220 70.129 10.037 5B [tesla]图５㊀转子表面的磁感应强度分布云图图６所示为磁滞张力器的转矩输出曲线ꎮ从图中可５２１ 博看网 . All Rights Reserved.以看出ꎬ输出转矩在初始时刻有轻微震动ꎬ随着时间的推移ꎬ磁滞转矩的数值波动减小ꎬ趋于稳定ꎬ并最终稳定在３２ｍＮ ｍK /ms-$D -/(m N ·m )图６㊀磁滞转矩随时间变化曲线３.１㊀气隙对磁滞转矩的影响保持表１中其他参数不变ꎬ仅改变气隙大小ꎬ得到图７所示磁滞转矩与气隙的关系曲线ꎮ从图中可以看出ꎬ随着气隙的增加ꎬ磁滞转矩急剧减小ꎮ由图２可知ꎬ张力器的磁传导回路主要包含定子磁芯㊁气隙㊁转子以及外壳ꎮ而定㊁转子以及外壳都是由磁性材料制成的ꎬ其相对磁导率要远高于空气磁导率ꎬ故而磁场能量主要损失于气隙中ꎮ因此ꎬ在磁动势大小一定的情况下ꎬ磁回路中的气隙越大ꎬ其中的磁场能量损失也就越大ꎬ转子的磁通密度也必然减小ꎬ从而导致磁滞转矩减小ꎮ因此ꎬ理论上减小气隙可以提高磁滞转矩ꎬ但过小的气隙会对机械加工和装配提出更高的精度要求ꎬ使得零件的加工难度加大ꎬ特别是对转子的加工精度要求更高[１５]ꎮ故而需要综合考虑各方面因素ꎬ选择合适的气隙大小ꎮ-$D -/(m N ·m )!K /mm图７㊀气隙对磁滞转矩的影响３.２㊀电流对磁滞转矩的影响电流的大小是影响电磁式张力器磁滞转矩大小的重要因素ꎮ张力器工作时ꎬ需要根据实际需要将电流设定在特定的数值ꎮ基于表１中的结构参数在不同气隙大小下进行计算ꎬ得到了如图８所示的关系曲线图ꎮ从图中可以得出ꎬ在不同气隙大小下磁滞转矩随电流变化规律基本保持一致ꎮ当电流较小时磁滞转矩增加缓慢ꎬ而随着电流的不断增加ꎬ磁滞转矩显著增大并与电流近似维持着线性关系ꎮ当电流超过一定范围后ꎬ磁滞转矩的增加幅度趋于平缓ꎬ其原因在于随着电流的增加ꎬ磁性材料的磁感应强度也趋于饱和ꎬ不再随着电流的增大而增大ꎬ增加的电流对转矩的影响很小ꎮ从图中可以看出ꎬ电流在３０~７０ｍＡ范围内ꎬ磁滞转矩与电流之间有着良好的线性关系ꎬ磁滞转矩可以达到４０ｍＮ ｍꎬ符合设计要求ꎮ-$D -/(m N ·m )*"/mA图８㊀磁滞转矩与电流关系图３.３㊀磁极相对角度对磁滞转矩的影响张力器的定子磁芯由两部分组成ꎬ且分别置于转子两侧ꎬ如图２所示ꎮ两定子磁芯的端面均有若干齿形磁极ꎬ张力器装配时ꎬ两齿形磁极之间一般错开一定角度ꎬ磁极间相对错开角度α定义如图３所示ꎮ保持表１其他参数不变ꎬ在多组气隙下对张力器在不同磁极相对角度下进行仿真计算ꎬ可以得到磁极相对角度与磁滞转矩的关系ꎬ如图９所示ꎮ-D>/(°)-$D -/(m N ·m )图９㊀磁极相对角度对磁滞转矩的影响定子磁极端面的齿形磁极沿周向等距排列ꎬ磁极个数为８时ꎬ相邻两磁极间的相对角度θ＝４５ʎꎮ图９中ꎬ在角度α<θ/２时ꎬ磁滞转矩随着相对角度的增加而不断增大ꎬ而当α>θ/２时ꎬ磁滞转矩逐渐减小ꎮ在α＝４５ʎ时ꎬ两磁极重合ꎬ其磁滞转矩大小与起始位置相等ꎮ转子表面的磁密Ｂ可以分解成径向Ｂｎ和切向Ｂτ两部分ꎬ而Ｂτ是影响磁滞转矩大小的主要因素ꎮ在一定范围内ꎬα增大ꎬ切向磁密Ｂτ也随之增大ꎬ而超过一定范围后Ｂτ反而减小ꎮ因此出现了图９所示的关系曲线ꎮ６２１ 博看网 . All Rights Reserved.３.４㊀转子厚度对磁滞转矩的影响在保证其他参数不变的情况下ꎬ随着转子厚度的增加ꎬ气隙逐渐减小ꎬ这就使得转子磁感应强度增大ꎬ磁滞转矩也随之增大ꎬ如图１０所示ꎮ然而ꎬ随着转子厚度的不断增大ꎬ磁阻和漏磁也在增加ꎬ在厚度超过一定范围以后ꎬ转子中增加的磁势反而消耗在转子内部的损耗上ꎬ对磁滞转矩的影响降低ꎮ-$D -/(m N ·m )D /mm图１０㊀转子厚度对磁滞转矩的影响３.５㊀磁极个数对磁滞转矩的影响改变磁极个数并在多组气隙大小进行数值计算ꎬ得到了图１１所示的关系曲线ꎮ磁极个数较少时ꎬ转子的磁通密度低ꎬ从而产生的磁滞转矩也较小ꎮ随着磁极个数的增加ꎬ磁滞转矩迅速增大ꎮ然而ꎬ磁极个数增加时ꎬ各个磁极的漏磁也随之增加ꎬ超过一定范围后ꎬ磁滞转矩反而随着磁极数目的增加而减小ꎮ计算结果表明ꎬ在磁极个数为１０--$D - N /·N图１１㊀磁极个数对磁滞转矩的影响４㊀结语由以上仿真结果表明:１)电流是影响磁滞转矩大小的关键因素ꎮ磁滞转矩与电流的关系曲线中有一段近似线性的区间ꎬ也是张力器的最佳工作区间ꎬ且满足在１０~３０ｍＮ ｍ范围内线性可调的设计要求ꎮ㊀㊀２)气隙大小的选择关系到张力器的最终性能ꎮ同时ꎬ过小的间隙也会对零部件加工精度和装配提出更高的要求ꎮ因此ꎬ需要综合考量这两方面的要求ꎬ选择大小合适的空气间隙ꎮ３)磁极的相对角度和磁极个数是影响磁滞转矩另一重要因素ꎮ计算结果表明ꎬ在相对角度α＝２２.５ʎ㊁磁极个数ｐ＝１０时输出转矩接近６０ｍＮ ｍꎬ极大地拓宽了张力器的线性可调范围ꎮ４)转子厚度的增加对磁滞转矩有着明显的影响ꎬ但厚度的增加也使得转子的转动惯量增加ꎬ因而在设计时需要额外考虑动力学方面的影响ꎮ电磁式张力器是一种精密纱线张力控制器ꎮ本文借助ＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌｌ软件研究了不同结构参数对张力器性能的影响ꎬ证明了通过有限元方法研究该类型张力器的可行性ꎬ也为日后的设计制造和升级优化奠定了基础ꎮ参考文献:[１]熊秋元ꎬ高晓平.纱线张力检测与控制技术的研究现状与展望[Ｊ].棉纺织技术ꎬ２０１１ꎬ３９(６):６５￣６８.[２]尹铭泽ꎬ张昊ꎬ缪宇轩ꎬ等.电磁式张力器的结构设计和张力测试[Ｊ].机械制造与自动化ꎬ２０２０ꎬ４９(２):１７８￣１８１ꎬ１８７.[３]石钢ꎬ吕明.磁滞卷绕张力器阻力矩产生机理[Ｊ].轻纺工业与技术ꎬ２０１５ꎬ４４(４):２８￣３２.[４]王红军.卡尔 迈耶:适用于细玻纤长丝的新型纱线张力器[Ｊ].国际纺织导报ꎬ２０１４ꎬ４２(８):３４.[５]贺娟.卡尔 迈耶:ＡｃｃｕＴｅｎｓｅ纱线张力器[Ｊ].国际纺织导报ꎬ２００８ꎬ３６(６):４０￣４２.[６]石钢ꎬ吕明.论纺织工程张力控制技术发展路线图[Ｊ].纺织导报ꎬ２０１１(５):１０５￣１０８.[７]谢正权ꎬ王新厚.非接触式纱线卷绕张力动态检测方法的研究[Ｊ].中国测试ꎬ２００９ꎬ３５(４):１１１￣１１４.[８]曹霞.电磁式纱线张力器原理及动态性能测试分析[Ｊ].纺织机械ꎬ１９９７(６):２４￣２６.[９]ＳＨＩＧꎬＬＶＭꎬＨＵＡＮＧＹＬꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｔｏｒｑｕｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｙａｒｎｔｅｎｓｉｏｎｅｒ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１２ꎬ３４７/３４８/３４９/３５０/３５１/３５２/３５３:２２￣２６.[１０]林其壬ꎬ赵佑民.磁路设计原理[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ１９８７.[１１]赵博.Ａｎｓｏｆｔ１２在工程电磁场中的应用[Ｍ].北京:中国水利水电出版社ꎬ２０１０.[１２]陈东ꎬ范帅.基于Ｍａｘｗｅｌｌ的盘式制动器辅助电磁制动装置的有限元分析[Ｊ].新技术新工艺ꎬ２０１３(９):３２￣３５.[１３]ＧＡＲＧＡＮＥＥＶＡＧꎬＫＹＵＩＤＫꎬＳＩＰＡＹＬＯＶＡＮＹꎬｅｔａｌ.ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｌｕｔｃｈｅｓｉｎＡｎｓｙｓＭａｘｗｅｌ[Ｃ]//２０１９２０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＹｏｕｎｇＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓｏｎＭｉｃｒｏ/ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ(ＥＤＭ).Ｅｒｌａｇｏｌ(ＡｌｔａｉＲｅｐｕｂｌｉｃ)ꎬＲｕｓｓｉａ:ＩＥＥＥꎬ２０１９:７３１￣７３４.[１４]孔繁余ꎬ王志强ꎬ张洪利ꎬ等.磁力泵磁性联轴器的磁场分析及性能计算[Ｊ].磁性材料及器件ꎬ２００９ꎬ４０(３):２４￣２７ꎬ３１.[１５]郑勐ꎬ李言ꎬ尚军ꎬ等.一种微型精密磁滞张力器的设计开发[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２０１１ꎬ３０(９):１４３１￣１４３４.收稿日期:２０２０１１２７７２１ 博看网 . 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Ansys Workbench 电磁阀磁场分析
本人最近由于在做电控燃油系统，正好牵扯到电磁铁的计算，看到好像没人发过，于是就自己发一个，参考了AWB帮助的例题，有什么不正之处还请大家指教首先在proe里建模，绿色是电磁铁，黄色是衔铁，两者间隙0.28mm。
然后直接进入DM建立线圈和周围的空气。
在DM中新建一个plane，为的是建立线圈。
这个plane是基于图中绿色平面沿Z轴负向的一个距离-5.5mm
在新建的plane上新建草绘，然后画一个直径16.5的圆，这个圆是线圈中心尺寸
下一步从这个圆生成线体，如下图，选择草绘的圆
然后选择生成的线体，在winding body？中选择yes
设置线圈的圈数为71,高度为9mm,宽度为1mm，然后选view--cross section solid，隐藏衔铁和电磁铁可以看到线圈
建立包围的空气
形状选圆形，在merge parts?中选y es
保存DM文件，进入simulation，选择衔铁和电磁铁的材料为纯铁
网格划分在这里就不讲了，画完网格后，在new analy sis中选magnetostatic
然后选择conductor winding body，输入线圈中的电流值为12000mA
插入磁通平行条件，在磁通平行的scoping method 选name selection,在name selection中选open domain
在solve中插入磁感应强度和衔铁所受的磁力，在directional force/torque 的geometry中选择衔铁，方向选择Z轴
最后右键进行solve，由于材料B-H曲线是非线性的，因此计算时间有点长。
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。
ANSYS电磁场分析报告指南设计
ANSYS电磁场分析指南（共17章）ANSYS电磁场分析指南第一章磁场分析概述：ANSYS电磁场分析指南第二章 2-D静态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第三章２-Ｄ谐波（ＡＣ）磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第四章２-Ｄ瞬态磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第五章３-Ｄ静态磁场分析（标量法）：ANSYS电磁场分析指南第六章３-Ｄ静态磁场分析（棱边元方法）：ANSYS电磁场分析指南第七章３-Ｄ谐波磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第八章３-D瞬态磁场分析（棱边单元法）：ANSYS电磁场分析指南第九章 3-D静态、谐波和瞬态分析（节点法）：ANSYS电磁场分析指南第十章高频电磁场分析：ANSYS电磁场分析指南第十一章磁宏：ANSYS电磁场分析指南第十二章远场单元：ANSYS电磁场分析指南第十三章电场分析：ANSYS电磁场分析指南第十四章静电场分析（h方法）：ANSYS电磁场分析指南第十五章静电场分析（P方法）：ANSYS电磁场分析指南第十六章电路分析：ANSYS电磁场分析指南第十七章其它分析选项和求解方法：第一章磁场分析概述1.1磁场分析对象利用ANSYS/Emag或ANSYS/Multiphysics模块中的电磁场分析功能，ANSYS可分析计算下列的设备中的电磁场，如：·电力发电机·磁带及磁盘驱动器·变压器·波导·螺线管传动器·谐振腔·电动机·连接器·磁成像系统·天线辐射·图像显示设备传感器·滤波器·回旋加速器在一般电磁场分析中关心的典型的物理量为：·磁通密度·能量损耗·磁场强度·磁漏·磁力及磁矩· S-参数·阻抗·品质因子Q·电感·回波损耗·涡流·本征频率存在电流、永磁体和外加场都会激励起需要分析的磁场。
Ansys电磁场分析经典教程
耦合场分析概况…………………………………………………………………………….. 5-1
1-1
第一章
教程综述
1-2
• ANSYS/EMAG能用于模拟工业电磁装 置
• 电磁装置当然是3维，但可简化 为2维模 型。
• 模拟可考虑为： – 稳态 – 交流（谐波） – 时变瞬态 • 阶跃电压 • PWM(脉宽调制） （Pulse Width Modulation) • 任意
• 为每个物理区定义材料 – 导磁率（常数或非线性） – 电阻率 – 矫顽磁力，剩余磁感应
衔铁 线圈 锭子
实体模型
1-5
• 建实体模型 • 给模型赋予属性以模拟物理区 • 赋予边界条件
– 线圈激励 – 外部边界 – 开放边界 • 实体模型划分网格 • 加补充约束条件（如果有必要） – 周期性边界条件 – 连接不同网格
• 一旦衔铁已选好，选择OK (在选取框内）
1-25
• 选择与已选平面相对应的单元
用“面”
• 选择 OK • 图示衔铁单元
Utility>plot>elements
衔铁单元
1-26
• 使单元与衔铁组件联系起来 Utility>Select>Comp/Assembly>Create Component
• 选择Apply (重复显示和输入) • 建立线圈面
利用TAB 键移动输 入窗口
• 选择 Apply
1-17
• 建立空气面
• 选择 OK 衔铁
到了这步，建立了全部平 面，但它们还没有连接起 来.
线圈
1-18
• 用Overlap迫使全部平面连接在一起 Preprocessor>Operate> Overlap>Areas
开关磁阻电机的计算机辅助设计与ANSYS仿真
Ｂ —— 磁 负荷 的初选值 （ ． ０ ７Ｔ ； ０４～ ． ）
— —
Ａ —— 转子 细长 比 ； ， Ｖ —— 电机额定 转速 ；
Ｐ ——额定电磁功率。 （ ）铁 心有效 长度 ：的设 计和仿真 Ｒ
０ 引 言
随着 国家 工业 水平 的不 断 提 高 ， 企业 对 于 调
Ｓ Ｍ 的设计 主要 包 括两 部分 内容 ， Ｒ 即结 构 参 数设 计 和电磁参 数设 计 。选择 定 子 外径 Ｄ 、 细长 比 Ａ、 隙 ｇ等作 为输 入数 据 。 气 电机 主要结 构尺 寸公式 如下 。
ｔ ｎ ａ ｄ ｓｍｕｌｔｏ ｆａ ／ ｏ ｅ ｍｏｏ ｒ ｏ ｌｔ ｄ． Ｓ ｍｕａｅ ｕ ｖ ｓａ ｅ ｄ ａ ｉ ｎ ｉ ａ ｉｎ ｏ ｎ ８ ６ ｐ ｌ ｔｒａ ｅ ｃ ｍｐ ｅｅ ｏ ｉ ｌｔｄ ｃ ｒ ｅ ｒ ｒ ｗｎ． ＡＮＳ ｓｕｓ ｄ ｔ ａｃ ｌｔ — ＹＳ ｉ ｅ ｏ ｃ ｌ ｕａ ｅ ｅ
线性仿 真模型 的基础上 ， 对一台 ８ ６极开关磁阻电机进行 了计算 和仿真 ， ／ 绘制 了仿 真曲线 。利用 Ａ Ｓ Ｓ软件 ＮＹ
计算了电机的电磁场 ， 仿真结果验证 了该 软件具有较高 的计算精度。 关键词 ： 开关磁阻 电机 ；电磁设计 ；有限元分析
中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ ２ Ｔ ５ ；Ｂ １ 文 献标 识码 ： 文 章编 号 ：６３６４ （ ０８ １－０ ６０ Ｍ ０ ： Ｍ３２ Ｔ １５ Ａ １７ —５ ０ ２ ０ ） １ １ － ０ ４
Ｃｏ ｍｐ ｔ ｒ Ａｉ ｅ ｓｇ ｆＳ ｔ ｈ ｄ Ｒｅｕ ｔ ｎ ｅ Ｍ ｏ ｏ ｎ ｕ ｅ － ｄ ｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｗｉｃ ｅ ｌ ｃ ａ ｃ ｔ ｒ ａ ｄ
ANSYS软件对电磁场的分析
ANSYS软件对电机磁场的分析徐海峰辛慧源(浙江大学，浙江杭州 310027)摘要：本文重点介绍了用ANSYS软件分析电机磁场，使ANSYS软件具有"计算和分析"电机磁场的功能，从而进行电机的优化设计。
关键词： ANSYS；电机磁场；优化设计中图分类号：TP21 文献标识码：A1 前言磁路设计是电机设计的主要部分，磁路量对电机的主要性能起决定性的影响，电机的转矩和反电势直接取决于主磁通量。
因此磁路法是工程上最适用的电机计算方法。
所以从根本上讲，电机问题是一个电磁场的问题，由于永磁材料的引入，使许多传统的分析方法感到力不从心，所以对无刷直流电机进行磁场的研究还是非常必要的。
ANSYS软件是世界上著名的大型通用有限元计算软件，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个有两地工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。
2ANSYS分析电机磁场的基本原理工程上的磁场分析一般采用数值计算方法。
常见的数值计算方法有有限差分法和有限元法。
差分法不适合于边界条件复杂、边界不规则(外部或内部)的情况。
为了充分发挥永磁材料的磁性能。
特别是稀土永磁的优导磁性能，用很少的永磁材料和加工费用制造出高性能的永磁电机，就不能简单套用传统的结构和设计计算方法。
必须应用现代设计思想，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度。
为此，本文采用有限元分析法。
使用有限元分析，目前一般有三种作法：a)用数学关系式建模，用计算机算法语言编制了网格自动剖分程序、有限元分析程序、相关的前后处理程序、电磁计算程序；这是传统的有限元分析方法。
b)采用有限元分析软件对电机内的电磁场进行简单的分析计算，完成电机设计中的磁路部分的设计，利用MATLAB等类似软件编制了电磁计算等其他设计程序。
c)大量工作均用高级的有限元分析软件完成，诸如力矩、电感、磁力线、磁通、磁场强度均一次性得出，使设计真正成为一种优化设计，设计过程即为分析过程。
基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析
基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析
黄劭刚;夏永洪;张景明
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2004(32)5
【摘要】介绍了应用ANSYS自带的APDL编程语言进行软件开发,将该软件应用于同步发电机空载磁场分析中,在电机的电磁场计算中实现了电机的自动旋转、自动施加载荷的功能,使用、修改方便,并且计算速度快.通过对电磁场计算结果的后处理,得出了同步发电机的旋转磁场波形和电压波形.样机测试结果验证了分析结果的正确.
【总页数】3页(P12-14)
【作者】黄劭刚;夏永洪;张景明
【作者单位】南昌大学,江西南昌,330029;南昌大学,江西南昌,330029;南昌大学,江西南昌,330029
【正文语种】中文
【中图分类】TM341
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Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｆ ｏ ｒ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＮＳ ＹＳ
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基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ的开关磁 阻电机静态 电磁分析 术
陈玟 充 ， 陈 小 元 来自（ 丽水 学 院 工 学 院 ， 浙 江 丽水 ３ ２ ３ ０ ０ ０ ）
摘 要 ：详 细 叙 述 了基 于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有 限 元 软 件 的 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ语 言 的 三相 １ ２ ／ ８结 构 的 开 关磁 阻 电机 几 何 建模 、 网格 剖 分 、 载荷 施加 、 边界条件 、 求解及后 处理等步骤 ， 建 立 了 二 维 开 关 磁 阻 电 机 的 有 限 元 模
开关 磁 阻 电机 Ｓ Ｒ Ｍ（ Ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ Ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ） 具
前处理
求解
ｒ 一
后处理
有结 构简单 坚 固 、 可靠 性强 、 起 动转矩 大 、 容 错 性 好 等 优
点 ， 在 矿 山机 械 、 电 动 汽 车 及 航 空 航 天 等 领 域 得 到 广 泛 应 用＿ 】 ｊ 。但 Ｓ Ｒ Ｍ 工 作过程 是 高度 非线 性 的 ， 无 法 严 格 列 写 相 电 感 和 相 电流 的 具 体 解 析 表 达 式 ， 这 给 前 期 设 计 带 来 很 大 困难 。 因此 需 要 借 助 有 限 元 软 件 对 Ｓ ＲＭ 的 电 磁 特性进 行分 析 。 本文采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软 件 的 ＡＰ Ｄ Ｌ语 言 建 立 三 相 １ ２ ／ ８ 结构 Ｓ Ｒ Ｍ 的 二 维 有 限 元 模 型 并 对 其 静 态 磁 场 特 性 进 行 分 析［ ５ － ７ １ 。 详 细叙述 了几何 建模 、 网格 剖 分 、 载荷 施加 、 边
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ －ｐ ｈ ａ ｓ ｅ １ ２ ／ ８ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＰ ＤＬ ｌ ａ ｎ ｇ ｕ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ＡＮＳ ＹＳ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｆ ｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｉ ｒ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ，ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ，ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ，ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ
Ｃｈ ｅ ｎ Ｗ ｅ ｎ ｃ ｈ ｏ ｎｇ， Ｃｈ ｅ ｎ Ｘｉ ａ ｏ ｙ ｕ ａ ｎ
（ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｌ ｉ ｓ ｈ ｕ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｌ ｉ ｓ ｈ ｕ ｉ ３ ２ ３ ０ ０ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
型， 分 析 随 电机 转子 位 置 变化 的 开 关磁 阻 电机 静 态磁 场 ， 获 得 了 电感 、 磁 链及转矩等数据 ， 为 开 关 磁
阻 电机 的 本 体 优 化 及 控 制 系 统 设 计 提 供 了理 论 依 据 。
关 键 词 ：开 关 磁 阻 电 机 ； 有限元 ； 电磁 分 析 ； ＡＰ Ｄ Ｌ语 言
ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ，ｃ ａ ｈ ： ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｘ ｅ ｃ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｐ ｏ ｓ ｔ －ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｔ ａ ｏ ｆ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｌ ｆ ｕ ｘ ａ ｎ ｄ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ａ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ．Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ａ Ｐ ＤＬ ｌ ａ ｎ ｇ ｕ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ＡＮ Ｓ ＹＳ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ａ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ． Ｋ ｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ：ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ； ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ； ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ； ＡＰ ＤＬ ｌ ａ ｎ ｇ ｕ ａ ｇ ｅ