哈工大培訓(xùn)課程ANSOFT軟件在電機設(shè)計中的應(yīng)用

哈工大培訓(xùn)課程ANSOFT軟件在電機設(shè)計中的應(yīng)用第1頁/共92頁Ansoft學(xué)習(xí)藍(lán)帶目標(biāo)必須通過綠帶的規(guī)定，並顯示有能力對以下功能進行:建立模型，執(zhí)行和結(jié)果分析。

後處理，優(yōu)化設(shè)計掌握內(nèi)容1基本操作（1）建模建立全模型，非全模型，CAD模型導(dǎo)入ansoft軟件的方法。（2）材料屬性設(shè)置正確為元件設(shè)定材料，填加材料。疊片方向，疊片電導(dǎo)率等。第2頁/共92頁Ansoft學(xué)習(xí)掌握內(nèi)容（3）邊界及源設(shè)定氣球邊界，value邊界，主從邊界合理運用。靜態(tài)場和暫態(tài)場電壓源，電流源及外電路設(shè)定方法。（4）參數(shù)設(shè)定靜態(tài)場主要為力和轉(zhuǎn)矩，暫態(tài)場。（4）求解條件設(shè)定及運算（5）結(jié)果分析靜態(tài)場力和轉(zhuǎn)矩值，暫態(tài)場定位轉(zhuǎn)矩，反電勢波形，電流波形等。判斷計算結(jié)果的正確性。根據(jù)分析結(jié)果可得到效率，功率因數(shù)等。第3頁/共92頁Ansoft學(xué)習(xí)掌握內(nèi)容2后處理電機磁力線，磁密云圖分布，應(yīng)用計算器畫某條線上的切向，法向磁密波形（主要為氣隙，齒和軛部磁密。）。求點的矢量磁位值。求漏磁系數(shù)，極弧系數(shù)，卡特系數(shù)等。波形導(dǎo)入和導(dǎo)出。FFT分解。3優(yōu)化設(shè)計判斷和評價設(shè)計方案。根據(jù)用戶需求選擇電機結(jié)構(gòu)和控制方法。能夠?qū)﹄姍C進行優(yōu)化，包括定位轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動，反電勢波形，提高電機轉(zhuǎn)速范圍和提高電機效率等相關(guān)優(yōu)化。運用相關(guān)的電機理論知識，分析調(diào)節(jié)不同參數(shù)如永磁體尺寸，磁橋?qū)挾群屠@組匝數(shù)等對電機某方面性能產(chǎn)生的影響，并能綜合比較選擇合適的電機方案。第4頁/共92頁主要內(nèi)容永磁直流電機設(shè)計無刷直流電機設(shè)計永磁同步電機設(shè)計永磁直線電機設(shè)計參數(shù)化分析第5頁/共92頁結(jié)構(gòu)1.永磁直流電機第6頁/共92頁工作特性1.永磁直流電機_運行特性速率特性轉(zhuǎn)矩特性效率特性第7頁/共92頁機械特性1.永磁直流電機_運行特性第8頁/共92頁參數(shù)選取1漏磁系數(shù)漏磁系數(shù)較小1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]第9頁/共92頁參數(shù)選取1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]2電磁負(fù)荷第10頁/共92頁參數(shù)選取2電磁負(fù)荷1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]第11頁/共92頁參數(shù)選取2電磁負(fù)荷

B級絕緣直流電機電磁負(fù)荷經(jīng)驗值與D的關(guān)系。每一個D所對應(yīng)的AB值有一個變化范圍，根據(jù)具體情況選取。1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]第12頁/共92頁磁路求解1路算2場算1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]電機參數(shù)12V2400RPM75W0.299Nm第13頁/共92頁電樞反應(yīng)1直軸電樞反應(yīng)1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]第14頁/共92頁電樞反應(yīng)2交軸電樞反應(yīng)（瓦片形）以磁極中心線為界，電樞反應(yīng)一側(cè)助磁，一側(cè)去磁。交軸電樞反應(yīng)造成磁感應(yīng)強度分布畸變。由于永磁體磁導(dǎo)率接近空氣，交軸電樞反應(yīng)磁路磁阻大，交軸磁通微弱，主極氣隙磁感應(yīng)強度畸變實際上可以忽略不計。1.永磁直流電機_設(shè)計特點[2]第15頁/共92頁改善永磁電機的換向1.永磁直流電機設(shè)計_優(yōu)化[1]普通直流電機在主磁極間加裝換向極，使換向極產(chǎn)生的磁場與交軸電樞反應(yīng)磁場抵消，以改善換向條件、減小換向火花，并可適當(dāng)降低由換向不利引起的噪音。永磁電機因為永磁材料的使用而帶來問題。作為磁極，磁鋼是產(chǎn)生恒定不變的磁通的源，但它本身的磁阻卻很大。當(dāng)用磁鋼作換向極時，對改善換向收效甚微。第16頁/共92頁改善永磁電機的換向方法：偏心氣隙和靴角氣隙1.永磁直流電機設(shè)計_優(yōu)化[1]第17頁/共92頁改善永磁電機的換向方法：偏心氣隙和靴角氣隙1.永磁直流電機設(shè)計_優(yōu)化[1]永磁電機采用不均勻氣隙對改善換向比較有利。偏心氣隙長度從磁鋼中心線至極尖連續(xù)光滑增大，抑制電樞反應(yīng)引起的氣隙磁場畸變，改善換向，也改善磁鋼極尖處因受電樞反應(yīng)而產(chǎn)生的不可逆去磁現(xiàn)象。磁鋼尖端削角而其余部分氣隙均勻。圓弧兩端各約六分之一變成直線，可抑制電樞反應(yīng)，改善換向。一般最大氣隙長度為2-3倍最小氣隙長度。第18頁/共92頁降低噪音1.永磁直流電機設(shè)計_優(yōu)化[1]偏心氣隙既是削弱電樞反應(yīng)磁場的辦法，也能削弱由齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的交變力引起的噪聲和振動。因為它使氣隙磁密發(fā)生變化，使本來一下子進入磁極的齒槽變成逐漸進入，減少了磁鋼對齒槽間氣隙磁密的突變。第19頁/共92頁2極12槽PMDC跨距5槽。1.永磁直流電機設(shè)計_外電路第20頁/共92頁外電路界面工作界面元件庫1.永磁直流電機設(shè)計_外電路第21頁/共92頁外面路圖1.永磁直流電機設(shè)計_外電路第22頁/共92頁初始時間，bar0滯后正極電刷15度（機械角度，a

halfcommutatingbarpitch）,它滯后負(fù)極電刷195度。Bar1則滯后正極電刷-15度，滯后負(fù)極165度。以此類推。1.永磁直流電機設(shè)計_外電路第23頁/共92頁

ComModel1.永磁直流電機設(shè)計_外電路第24頁/共92頁碳刷寬度wideB=2*arcsin(8/24)=38.9(deg)換向器直徑24mm，碳刷寬度8mm。換向片寬度為wideC=360/12-2arcsin(0.5/24)=27.6(deg)換向片數(shù)12，換向器絕緣0.5mm。1.永磁直流電機設(shè)計_外電路第25頁/共92頁電磁轉(zhuǎn)矩1.永磁直流電機設(shè)計第26頁/共92頁電流1.永磁直流電機設(shè)計第27頁/共92頁電壓1.永磁直流電機設(shè)計第28頁/共92頁一個線圈的電流和電壓1.永磁直流電機設(shè)計第29頁/共92頁氣隙磁密1.永磁直流電機設(shè)計第30頁/共92頁磁力線分布1.永磁直流電機設(shè)計第31頁/共92頁FFT1.永磁直流電機設(shè)計第32頁/共92頁FFT1.永磁直流電機設(shè)計第33頁/共92頁34永磁無刷直流

電機系統(tǒng)圖控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。2.無刷直流電機第34頁/共92頁2.無刷直流電機不同類型轉(zhuǎn)子位置傳感器比較第35頁/共92頁無刷直流電機表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表第36頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B第37頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=1H2=0H3=0導(dǎo)通相：B第38頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=1H2=1H3=0導(dǎo)通相：C第39頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=0H2=1H3=0導(dǎo)通相：C第40頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=0H2=1H3=1導(dǎo)通相：A第41頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=0H2=0H3=1導(dǎo)通相：A第42頁/共92頁2.無刷直流電機傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B第43頁/共92頁2.無刷直流電機_電樞反應(yīng)特點電樞反應(yīng)與磁路的飽和程度，轉(zhuǎn)向，電樞繞組聯(lián)接方式，導(dǎo)通順序和磁狀態(tài)角大小有關(guān)。以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，工作在A和B相導(dǎo)通的磁狀態(tài)范圍時：直軸在（a）最大去磁作用，（b）最大增磁作用。交軸對主磁場的作用是使氣隙磁場波形畸變。徑向畸磁可不考慮，切向激磁，使氣隙磁場前極尖部分B加強，后極尖B削弱。如果磁路不飽和，加強和削弱部分相等，反之產(chǎn)生飽和去磁作用。同時，畸變的氣隙磁場還使力矩波動增加。第44頁/共92頁機械特性2.無刷直流電機_運行特性徑向第45頁/共92頁調(diào)節(jié)特性2.無刷直流電機_運行特性第46頁/共92頁工作特性2.無刷直流電機_運行特性第47頁/共92頁2.無刷直流電機_轉(zhuǎn)矩脈動電磁轉(zhuǎn)矩脈動原因定子齒槽引起的磁阻轉(zhuǎn)矩;電樞反應(yīng)引起磁場畸變;換相時由于繞組電感的影響,存在換相電流延遲,從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。第48頁/共92頁斜極磁極分段錯位斜槽，斜極和磁極分段錯位分?jǐn)?shù)槽齒頂開輔助槽槽極配合等方法

分?jǐn)?shù)槽2.無刷直流電機_定位轉(zhuǎn)矩第49頁/共92頁槽極配合法2.無刷直流電機_定位轉(zhuǎn)矩第50頁/共92頁2.無刷直流電機_換相轉(zhuǎn)矩脈動[3]在ANSOFT外電路里面，通過改變每相導(dǎo)通時間，“PW,pulsewidth[s]”，使換相過程的中關(guān)閉相和開通相有重疊部分，這樣可以實現(xiàn)重疊換相控制。針對不同的電機有不同的最佳重疊換相角，當(dāng)重疊換相角小于最佳重疊換相角時，不能很好抑制轉(zhuǎn)矩脈動，當(dāng)重疊換相角大于最佳重疊換相角時，又會產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)矩脈動。重疊換相法第51頁/共92頁2.無刷直流電機_換相轉(zhuǎn)矩脈動[3]第52頁/共92頁重疊換相角0重疊換相角0.5重疊換相角1重疊換相角1.52.無刷直流電機_換相轉(zhuǎn)矩脈動[3]第53頁/共92頁重疊換相角2重疊換相角2.5重疊換相角32.無刷直流電機_換相轉(zhuǎn)矩脈動[3]第54頁/共92頁2.無刷直流電機設(shè)計主從邊界設(shè)定電機模型第55頁/共92頁轉(zhuǎn)矩電流2.無刷直流電機設(shè)計第56頁/共92頁額定負(fù)載反電勢2.無刷直流電機設(shè)計第57頁/共92頁氣隙磁密波形2.無刷直流電機設(shè)計第58頁/共92頁磁力線2.無刷直流電機設(shè)計第59頁/共92頁電機氣隙徑向磁場沿圓周方向的分布是不均勻的。為了便于磁路計算，引入了計算極弧系數(shù)。它可以定義為計算極弧寬度與極距的比值；也可以也可以定義為氣隙平均磁通密度與最大磁通密度的比值。參數(shù)計算_計算極弧系數(shù)2.無刷直流電機設(shè)計第60頁/共92頁平均磁密1計算器手動設(shè)置計算2后處理計算2.無刷直流電機設(shè)計第61頁/共92頁3.參數(shù)化分析算例一導(dǎo)磁體鋼塊以一通電流線圈的中心線為圓心旋轉(zhuǎn)一圈，計算鋼塊的在磁場中的受力。第62頁/共92頁3.參數(shù)化分析輸入變量名變量填加到optimetrics第63頁/共92頁3.參數(shù)化分析第64頁/共92頁3.參數(shù)化分析第65頁/共92頁3.參數(shù)化分析可以編輯變量第66頁/共92頁3.參數(shù)化分析求解第67頁/共92頁3.參數(shù)化分析結(jié)果第68頁/共92頁3.參數(shù)化分析結(jié)果第69頁/共92頁3.參數(shù)化分析鐵塊受到的力第70頁/共92頁4.軟件幾個小問題計算功率因數(shù)額定負(fù)載時額定功率因數(shù)求法：進行額定負(fù)載條件下磁場計算。導(dǎo)出a相繞組的電壓和電流波形，求取夾角，即求出功率因數(shù)。第71頁/共92頁4.軟件幾個小問題額定內(nèi)功率因數(shù)角計算求法：進行空載條件下磁場計算。導(dǎo)出a相繞組的反電勢波形。進行額定負(fù)載條件下磁場計算，導(dǎo)出a相繞組電流波形，求取夾角，即可求出內(nèi)功率因數(shù)角。第72頁/共92頁阻尼系數(shù)D=(風(fēng)靡和摩擦損耗)/速度的平方單位：損耗w,速度rad/s疊片電導(dǎo)率?eff-有效電導(dǎo)率?orig－初始電導(dǎo)率SF-疊片系數(shù)N-疊片數(shù)量疊片電導(dǎo)率4.軟件幾個小問題第73頁/共92頁4.軟件幾個小問題非全模型計算注意問題1.瞬態(tài)場選擇symmetrymultiplier設(shè)置,結(jié)果和全模型一致。第74頁/共92頁4.軟件幾個小問題非全模型計算注意問題2.靜態(tài)場和渦流場不能設(shè)置symmetrymultiplier,結(jié)果和全模型不一致，需要根據(jù)實際情況進行處理后才能得到實際結(jié)果。例：1/4模型計算電感。根據(jù)電感公式可知電感與磁通截面成正比，與磁路長度成反比。假設(shè)模型磁通面積和全模型一樣，磁路長度是全模型的1/4,則計算結(jié)果乘以4倍才和全模型結(jié)果一致。第75頁/共92頁[1]周敏德.影響永磁直流電機性能的幾個關(guān)鍵問題。[2]李鐘明.稀土永磁電機。[3]劉廣巖.抽油機用永磁無刷直流電機設(shè)計及轉(zhuǎn)矩脈動抑制。參考文獻第76頁/共92頁附錄1：定義材料屬性－沖片設(shè)定沖片的方向設(shè)定，疊片系數(shù)設(shè)定第77頁/共92頁附錄2：源設(shè)置靜態(tài)場電流源設(shè)置分6次講AXBYCZ設(shè)置?？啥鄠€線圈分配。第78頁/共92頁給定每相電流（3相電機共給定6次）。附錄2：源設(shè)置第79頁/共92頁在list中給定，修改電流值。附錄2：源設(shè)置第80頁/共92頁修改單個線圈或多個線圈電流值，方向等。附錄2：源設(shè)置第81頁/共92頁暫態(tài)場電流源設(shè)置2種方法：1）先填加winding，再填加coil。winding填加3次。槽數(shù)為n，則填加coil的次數(shù)為n次。這種設(shè)置適合槽數(shù)較少的電機。2）先填加coil，再填加windingcoil填加6次（AXBYCZ),winding填加3次。這種設(shè)置適合槽數(shù)較多的電機。附錄2：源設(shè)置第82頁/共92頁填加A相繞組的線圈（填加coil）附錄2：源設(shè)置第83頁/共92頁附錄2：源設(shè)置第84頁/共92頁填加winding附錄2：源設(shè)置第85頁/共92頁Winding中填加線圈附錄2：源設(shè)置第86頁/共92頁附錄3