Ansoft瞬態(tài)場計算步驟及與RMprt的結果對比

1、Ansoft 瞬態(tài)磁場計算（未考慮外電路）總結整理：2008-6-4于德國Kassel大學目錄1、說明電機額定運行時的瞬態(tài)場分析與計算電機額定運行時的瞬態(tài)場分析與計算Setup Boundaries/source （重點考慮 Source Setup）Setup Solution選擇Setup SolutionlOptionsSetup Solution選擇Setup SolutionlMotion SetupSolve | Nominal ProblemPost ProcessPost Press/Transistant date：計算平均輸出功率： Average Output Power

2、計算相電流有效值：計算輸入電功率，由此可以計算效率Post ProcessPost Process/field：齒部磁密分布和磁密平均值計算 齒部磁密分布 齒部磁密平均值計算沿齒弧磁密分布和沿齒磁密分布的差異定子軛部磁密分布和磁密平均值定子軛部磁密分布和磁密平均值2.6.4 氣隙磁密分布和磁密最大值3、3、電機空載額定轉速運行時的瞬態(tài)場分析與計算Setup Boundaries/source （重點考慮 Source Setup）Setup Solution選擇Setup SolutionlOptionsSetup Solution選擇Setup Sol ution

3、|Motion Setup3.4 計算結果4、考慮鐵耗的計算結果4.1 鐵耗計算設置額定負載時考慮與不考慮鐵耗時的比較負載很小時的比較4.3.1 考慮鐵耗時4.3.2 不考慮鐵耗時5、Maxwell與RmxPrt計算結果比較磁密及額定值比較額定轉速時永磁相電勢比較氣隙磁密分布6、其他心得1、說明以 16 極 36 槽調速永磁同步電動機為例進行分析電機的瞬態(tài)場計算，電機由 RmxPrt 開始，并將該模型加到 MAXWELL 11 中。RmxPrt 的項目為 ad_pmsm(Maxwell File 22KB), Maxwell 中的項目為 ad_pmsm_fem.pjt。2、電機額定運行時的瞬態(tài)

4、場分析與計算Setup Boundaries/source (重點考慮 Source Setup)A_phase 繞組源的設置：選擇A相繞組；使用AssignlSourcelSolid；指定Solid為 VOltage， Name改為 A_Phase；選擇Options，將源的形式Constant改為F unction；選擇Function； 選擇Add，在函數(shù)輸入框“=”的左邊輸入U_Phase_A，“ = ”的右邊輸入350*sqrt(2 / 3)*sin(360T*5(顯 然，B 相 應為：350 * sqrt (2 / 3) * sin(360 *50 * T 120)， C 相應為3

5、 5 0s * r t (2/3)* sin- (T 3 6)0指定Done回到 2D Boundary/Source Manager在Flue框內(nèi)輸入 U_Phase_A；選擇Strand；（10）選擇Winding，出現(xiàn)Winding Setup指定PhA為Positive, PhReA為Negative；在Resistance框內(nèi)輸入相繞組電阻15.42，在Inductance框內(nèi)輸入繞組端部漏感0.00112H （在RMxPrt中有該值的輸出結果）；在Total turns as seen from terminal框內(nèi)輸入每相串聯(lián)匝數(shù) 684；在N umber of Parallel

6、 Branches輸入并聯(lián)支路數(shù) 1 ；選擇OK退回 2D Boundary/Source Manager（11）指定Assign同樣給出A_phase、B_phase繞組源的設置（12）選擇FilelSave與FilelExit，保存并退出邊界條件編輯器Setup Solution選擇Setup Solution|Options（1）選擇Manual Mesh（進行自定義剖分，略）；在進行完Manual Mesh后必需的一步是Mesh/Line Mofch,選擇主、從邊界的邊，toensure that the meshing points will match at their match

7、ing boundaries. If they don not, youwill receive an error message about a missing transcript file during the. normal solution（2）在Solber Choice選擇中，選 DirectFor problem where all of the boundaries are well defined, the direct solver is the best choice3) Transient analysisi、Solution: Start from time zer

8、o在開始時，還沒有任何解，因此只能選擇 Start from time zero 如果對這個問題已有解，可以選擇 Continue Previous Solution 。問題設置可以以任何方 式改變（除了結構變化），求解從前解結果開始進行。比如初解的結果終止計算時間為 0.2s， 則在調整問題設置時終止計算時間變?yōu)?.4s，并且選擇Start from time zero，則計算從前面 的 0.2s 計算結果開始。ii、Time StepTime Step 的大小可以根據(jù)一個電機齒距范圍內(nèi)求解點數(shù)來確定。假定電機的轉速為375rpm，電機槽數(shù)為36,電機一個定子齒距的求解點為10個，則Time

9、 Step的確定如下:375 rpm = 375 rev / 60 s = 1rev / 0.16 s1 個齒距對應的時間為 0.16/36=0.004444s； Time Step=0.004444s/10=0.000444s。最后確定 Time Step 為 0.0004siii、Stop Time該值關系不大，可以從小值開始，如果電機還沒有達到穩(wěn)定，則可以增大 Stop Time 電機的求解可以從前面解的結果開始進行。iv、Model Depth=105mm電機的軸向鐵心長度。注意用 2D 瞬態(tài)場求解時，沒有也無法考慮電機的斜槽。v、Symmetry Multiplier=4整個電機是求

10、解區(qū)域的倍數(shù)。縮小求解區(qū)域可以降低求解時間。Setup Solution選擇Setup SolutionlMotion Setup從Object列表中選擇 Band,選擇Set Band選擇Mechanical SetupInitial Angular Velocity: 375 給電機的實際運行轉速。如果計算額定轉速時的狀態(tài),則給額定轉速值Moment of Inertia: 0.0012給電機的轉動慣量。這一慣量值在RMxPrt中已計算出；實際上電機的穩(wěn)態(tài)性能與轉動慣量沒有關系,但在 2D 瞬態(tài)場計算時,如果這一慣量太大,可能導致計算結果發(fā)散。因此該值一般比 RmxPrt 的計算值要小(實

11、際計算值為 0.009262)。Damping:0.0454由于風阻和其他機械損耗所導致的阻尼，很明顯是一個經(jīng)驗值，為了比較路的設計計算結果，該值應該與 RmxPrt 中的給定值相同。Load Torque: -19所要仿真的電機負載轉矩，當然可以是額定輸出轉矩。這一轉矩值以負值形式給定Solve | Nominal Problem進行求解。進行求解時，可以隨時通過 refresh 觀察求解結果，主要觀察求解是否收斂。求解結果見本窗口中Solutions中的Transient Date，其中有各種曲線?？梢哉{整曲線下方的Settings，只看部分時間段曲線形狀。Torque vs Time5a

12、-ICOUtlSm19Nm0 2-11 生0 iNaeEsalPosition vs Time在給宦時間內(nèi)電機轉了 3Position vs Time在給宦時間內(nèi)電機轉了 3轉多TorquePower LossTerminal Voltage Back EMFFlux Linkage IMinding Curt已ntPositionSpeedDamping TorqueCor已 Lossns mU下面的兩個圖形時2D和RmxPrt得到的相反電動勢波形?？梢钥闯觯瑑烧?差別不大。注意在2D計算中，沒有考慮電機的斜槽。另外，2D計算得到的電 勢是時間的函數(shù)，可以在2D的后處理中將橫坐標由時間變?yōu)槲?/p>

13、置。29 May 2008Ansoft Corporation17:05:17Induced Winding Voltages at Rated SpeedRMxprtDesignlPost ProcessPost Press/Transistant date：在其中可以得到 Solve 中的所有曲線結果，但在其中可以對這些結果進行分析和計算， 其中包括前面的將橫坐標變由時間便為位置。計算平均輸出功率： Average Output Power在進行 2D 計算時，給定輸出負載轉矩和轉速，因此電機的輸出功率很容易計算，但是 也可通過轉矩曲線和轉速曲線進行計算。在 EMpulse 中，電機的功率

14、 Pout 滿足下式：P = P -FWout air _ gap其中，F(xiàn)W,表示機械損耗，Pair_gap為氣隙功率，由平均轉矩(單位Nm)和轉速(單位 rad/second)相乘而得。轉速為375rpm=39.27rad/s。以下給出平均轉矩的計算方法。Choose Plot/Open, Select torque.dat, choose OK;ChooseTools/Calulator to access the Signal Calculator;Select Torque.dat, and chooseCopy to copy the torque plot into top of

15、stack of calculator.Choose Sample, and define the following parameters:丁 Sample: Time丁Specify b尹Size丁 Start:0.2丁 Stop:03/Size:1000Choose OK to accept the values and return to the signal calculator.Enter 39.27 in the Name/Constant field(給定速度)Choose * to multiply by the speed in radians per second;Cho

16、ose the integrate button (計算在一段時間內(nèi)轉矩之和)Enter 0.1 in the Name/Constant/eM(給計算平均值的時間段：Stop time-Start time=0.1s)Choose “/” to calculate the average;Choose Preview. The last number in this plot is the average value(曲線的最后一點就是所求的平均轉矩)；12) Choose max,(給出所求的平均轉矩)：816.141Nm因此輸出功率為：Pout=816141-70=746141；由于給定

17、轉矩為19Nm，而不 是要求的 19.1，因此輸出功率不是 750W。252 計算相電流有效值：電流有效值的數(shù)值計算公式：I = - fi 2( n)N iChoosePlot/Open, Select current.dat, choose OK;ChooseTools/Calulator to access the Signal Calculator;Selectcurrent.dat:A_phase, and chooseCopy to copy it into top of stack of calculator.ChooseSample, and define the followi

18、ng parameters:丁 Sample: Time丁 Specify by:Size丁 Start:0.2丁 Stop:0.3/Size:10005）Choose OK to accept the values and return to the signal calculator.6）Choose Push to duplicate the entry;7）Choose * to multiply the value in top of the stack by itself（計算 i2）;8）Choose the integrate button （計算在一段時間內(nèi) i 之和）；9）

19、Enter 0.1 in the Name/Constantfield（給計算平均值的時間段：Stop time-Start time=0.1s）10）Choose “/” to calculate the average;11）Choose 廠（進行開方運算）（這一步可以在最后一步進行，計算結果差別不大）；12）Choose Preview. The last number in this plot is the average value（曲線的最后一點就是所求 的電流有效值） ；13）Choosemax （得所要求的電流有效值）： 1.568相電流的EMpulse計算值為1.568A,

20、RmxPrt的計算結果為1.539A,兩者 差別很小同樣可以計算外加相電壓有效值， 外加相電壓是標準的正弦波，因此該值就是350 定義齒部曲線（定義一條包括所有齒的圓弧，以得到電機的最高齒磁密，這一磁密定義為齒磁密）令 Geometry/Creat/Arc 輸入弧的原點坐標fr，y） = （0，0），輸入弧半徑Rad=60，輸入弧的張角Ang=90 , 選擇 Enter（X； y） . （Rad, Ang） 作為坐標點，給出一 個，另一個自動給出 對應值Snap To: 兩 Vertex 雨 Grid I- Other .Arc Axis:窗ZCenter給出Start Point為（60，0

21、），可以調整改起 給出Start Point為（60，0），可以調整改起始點的坐標，選擇Enter。Cancel 在Num Points中給出圓弧點的個數(shù)2000；不選Clockwise，表示圓弧從前面的起點開始不是順時針（是逆時針）；在Angle中給出圓弧角度90 ； Name改為Tooth；選擇 Enter。齒部磁密分布是沿圓弧的磁密分布，與實際上的齒部磁選擇 Enter。齒部磁密分布是沿圓弧的磁密分布，與實際上的齒部磁密分布并不相同，實際的齒部磁密分布應該是沿弦的分布。 繪制tooth中的磁密分布 Data/Calculator，進入 Field Calculator： out0 窗口Q

22、TY/B:定義關于磁密B的后續(xù)操作Geom/Line :選擇tooth，沿線定義BUnit Vec/2D-Normal：定義發(fā)向磁密DotGeom/Line2D Plot可以看出，齒磁密最大值為1.46T，而RmxPrt計算得到的空載時的齒磁密 為1.635T,可以用EMpulse計算電機空載時的磁密。對齒磁密來說，只計算徑向磁密即可，切向磁密很低。齒部磁密平均值計算 應首先定義積分路徑，然后根據(jù)下式計算這一路徑處的平均磁密，計算磁密幅值沿路徑的積分，再除以路徑的長度，就是平均磁密。J B dlavg J (1.0) dl由于積分變量的單位同分母的單位一致，因此在此沒有單位的變化問題，同時可以

23、只計算切向磁密或徑向磁密的平均值（見后面的例子）。i）定義齒定義齒部路徑ab,該路徑名字為Linel,如下圖所示ii）計算該齒部的平均磁密Data/Calculator 到 field calculato：out0 窗口選擇B矢量，Register中結果如下圖 Mag,求B矢量的大小，Register中結果如下圖 Geo/ZLise,選擇B的積分線，積分線為Linel。Register中結果如下圖Integral),對B幅值沿Linel進行積分，Register中結果如下圖以上計算出上面計算式中的分子，下面計算分母) NwM/Scalar,給出積分函數(shù)1.0，Register中結果如下圖 Ge

24、o/ZLine,選擇積分函數(shù)1.0的積分路徑，積分線為Linel。Register中結果如下圖(.Integral),對1.0沿Linel進行積分。Register中結果如下圖* (divide),分子與分母相除。Register中結果如下圖 Eval，顯示計算結果。Register中結果如下圖計算得到平均磁密為 1.3795T。計算 Line1 中法向磁密平均值QM，選擇B矢量；Geom/Lineo選擇積分線Linel，目的求單位法向矢量;Unit Vec/2D_normal,求 Linel 的單位法向矢量；Doto矢量B與單位法向矢量點乘(標量積)，得到B的法向分量，該值已經(jīng)是標量,可以再

25、計算其絕對值。 Geom/Line o 選擇積分線 Linel(Integral),對B的法向分量沿Linel進行積分 Nm/SCalar,給出積分函數(shù)l.0； Geom/Line，選擇積分函數(shù)l.0的積分路徑，積分線為Linel。Integral)，對 l.0 沿 Linel 進行積分。(divide),分子與分母相除。 Eval，顯示計算結果;法向磁密平均值為：1.378T。同前面計算的總磁密平均值1.3795T向差無幾，說明齒中磁密 主要是法向磁密。實際上計算得到的切向磁密只有 0.02T。沿齒弧磁密分布和沿齒磁密分布的差異圖是分析研齒弦磁密分布和沿各齒磁密分布的示意圖。沿弧磁密分布的示

26、意圖如下圖，圖中給出的是徑向磁密和切向磁密，可以看出切向磁密可以忽略不計，每齒中磁密分布是均勻的。各齒中磁密分布：B1=-1.17T；B2=-1.1TB3=0.775T， B4=1.38T， B5=-0.375T， B6=1.46T。圖 沿齒弧的磁密分布（只給出法向磁密合切向磁密）通過計算各齒沿弦的法向平均磁密分別為： B1=-1.17T；B2=-1.1075T，B3=0.7723T，B4=1.379T, B5=-0.372T, B6=1.46T。與沿弧計算的磁密幾乎相同。因此為了計算方面，可 以直接定義圓弧，畫出沿圓弧的法向磁密分布，找出最高磁密齒，該齒磁密的平均值就是用 瞬態(tài)場計算得到的齒

27、部磁密。值得注意的是,用瞬態(tài)場計算得到不同轉子位置時的定子齒部磁密,其最大值都是相 同的。給定點的坐標，即可以用（X, Y）,又可以用（Rad, Ang）。定子軛部磁密分布和磁密平均值 由于不知道那個軛部磁密最大,因此需要計算多個軛部磁密,如下圖所示。各軛部段 的外點直徑為155，內(nèi)點直徑為31.92，各段的角度分別為1 （85。）、2 （75。）、3 （65。）、4（55。）、 5 （45。）。II） 2段軛部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值為：0.686T）IV）4 段軛部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值為：0.645 T）結論：軛部最高平均磁密為0.686T, RmxPrt計算得

28、到的額部空載磁密為0.743T定子軛部磁密分布和磁密平均值比較下圖所示 1、2、3、4 四個轉子軛部磁密的分布和平均值?？梢韵日页鲕棽? 所對應的兩點坐標，2、3、4只要將坐標分別轉動22.5。、45。、67.5。即可。I） 1段轉子軛部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值為：0.726 T）ResulloM Normal 7 ongent0.5-05-I0123567II） 2 段轉子軛部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值為： 0.726 T）IV） 4段轉子軛部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值為：0.709T）結論：轉子軛部磁密主要是法向磁密，與位置關系不大，計算得到的最高轉子軛部平

29、均磁密為 0.726T，RmxPrt 計算得到的空載轉子軛部磁密為 0.7561T。氣隙磁密分布和磁密最大值計算平均氣隙處的磁密分布和磁密最大值。 磁密最大值為 0.9T，RmxPrt 得到的磁密最 大值為 0.837T。Setup Boundaries/source （重點考慮 Source Setup）將前述負載運行時的電壓源都賦為0V,各相繞組電阻都變?yōu)闊o窮大即可, 其它不變。Setup Solution選擇Setup SolutionlOptions同前面的額定負載運行設置Setup Solution選擇Setup SolutionlMotion Setup從Object列表中選擇Ba

30、nd,選擇Set Band選擇Mechanical Setup不選 Consider Mechnical SetupConstant Angular ieioci（y=375（給定運行轉速）3.4 計算結果空載電勢與前面額定運行時計算的空載電勢完全相同(Back VOltage),因為轉速相同；齒部磁密計算可以看出空載和負載時齒部磁密最大值相分布是不相同的。3.4.3氣隙磁密可以看出空載負載氣隙磁密分布有一定的重合性。用空載磁密代替負載磁密問題不大。4、考慮鐵耗的計算結果4.1 鐵耗計算設置 在前面的額定運行和空載運行分析時，沒有考慮電機的鐵耗，下面考慮電機的鐵耗分析 電機的額定運行，在輸出轉

31、矩和轉速不變時，比較考慮和不考慮鐵耗時電機的輸入功率和效 率。在渦流場和瞬態(tài)場中，可以計算鐵耗，在FEM的鐵耗根據(jù)磁路的方法進行，并用公式 計算，可以根據(jù)已知的鐵耗系數(shù)不同，分成兩種方法，即已知磁滯損耗系數(shù)和渦流系數(shù)時用 Electrical steel ，在已知總的鐵耗系數(shù)時采用 Power ferrite 。通常給出的是鐵耗系數(shù)，因此一 般采用 Power ferrite。在其他同額定負載運行設置完全相同的情況下，設置 Setup Executive Parameters/Core loss選擇Object中的定子選擇 Copute Core Loss on Object/Power Fe

32、rritePower ferrite core loss is based on the following equation (單位重量的鐵耗)p = C f xB ym maxWhere:Cm is constant value determined by experiment.f is the frequency. ( Hz)Bmax is the maximum amplitude of the flux density(T)電機設計中給出的鐵耗計算公式為：p = k p GFe a he Fe其中，Gf鋼的重量；Fek經(jīng)驗系數(shù)，把由于鋼片加工、磁通密度分布的不均勻、磁通密度隨時間不按

33、正弦規(guī)律a變化以及旋轉磁化與交變磁化之間的損耗差異等而引起的損耗增加都估計在內(nèi)。PFe相當于前面FEM中的p,但表達式為： TOC o 1-5 h z f1p = p B 2()1-3 = p ()1-3 f1-3 B2he 10 /505010 /50 50max比較 Fem 中單位重量鐵耗公式與上式，可以看出1C = p ()1-3, x = 1.3, y = 2m 10 /50 50其中，p10/5o當B=lT、f=50Hz時，鋼單位重量內(nèi)的鐵耗，其值可按硅鋼片型號，從下表查取。鋼的種類P10/50相當于國產(chǎn)鋼號低含硅量硅鋼片2.80D12中含硅量硅鋼片2.2D22高含硅量硅鋼片2.0D23經(jīng)計算，C眉0.0136 賦值如上圖所示 Exit/Save4.2 額定負載時考慮與不考慮鐵耗時的比較圖 不計鐵耗時相電流圖 計鐵耗時相電流001Torque Time001Torque Time不計鐵耗時電流大小為1.568A,計鐵耗時相電流為：1.568A,電流不變?nèi)喙β剩翰挥嬭F耗時為：918.669W，計鐵耗時為918.294W，兩者相差不大。負載很小時的比較在負載轉矩只有 1Nm 時，其他同額定運行相同，比較考慮和不考慮鐵耗時相電流大小和輸入功率大小，比較可以看出，考慮鐵耗和不考慮鐵耗，對電