哈工大培訓(xùn)課程ANSOFT軟件在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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

後處理，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yè)/共92頁(yè)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(yùn)用。靜態(tài)場(chǎng)和暫態(tài)場(chǎng)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(chǎng)主要為力和轉(zhuǎn)矩，暫態(tài)場(chǎng)。（4）求解條件設(shè)定及運(yùn)算（5）結(jié)果分析靜態(tài)場(chǎng)力和轉(zhuǎn)矩值，暫態(tài)場(chǎng)定位轉(zhuǎn)矩，反電勢(shì)波形，電流波形等。判斷計(jì)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(yè)/共92頁(yè)Ansoft學(xué)習(xí)掌握內(nèi)容2后處理電機(jī)磁力線，磁密云圖分布，應(yīng)用計(jì)算器畫(huà)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(diǎn)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(jì)判斷和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)用戶需求選擇電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制方法。能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行優(yōu)化，包括定位轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，反電勢(shì)波形，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和提高電機(jī)效率等相關(guān)優(yōu)化。運(yùn)用相關(guān)的電機(jī)理論知識(shí)，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(duì)電機(jī)某方面性能產(chǎn)生的影響，并能綜合比較選擇合適的電機(jī)方案。第4頁(yè)/共92頁(yè)主要內(nèi)容永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)永磁直線電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)化分析第5頁(yè)/共92頁(yè)結(jié)構(gòu)1.永磁直流電機(jī)第6頁(yè)/共92頁(yè)工作特性1.永磁直流電機(jī)_運(yùn)行特性速率特性轉(zhuǎn)矩特性效率特性第7頁(yè)/共92頁(yè)機(jī)械特性1.永磁直流電機(jī)_運(yùn)行特性第8頁(yè)/共92頁(yè)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(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]第9頁(yè)/共92頁(yè)參數(shù)選取1.永磁直流電機(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]2電磁負(fù)荷第10頁(yè)/共92頁(yè)參數(shù)選取2電磁負(fù)荷1.永磁直流電機(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]第11頁(yè)/共92頁(yè)參數(shù)選取2電磁負(fù)荷

B級(jí)絕緣直流電機(jī)電磁負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)值與D的關(guān)系。每一個(gè)D所對(duì)應(yīng)的AB值有一個(gè)變化范圍，根據(jù)具體情況選取。1.永磁直流電機(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]第12頁(yè)/共92頁(yè)磁路求解1路算2場(chǎng)算1.永磁直流電機(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]電機(jī)參數(shù)12V2400RPM75W0.299Nm第13頁(yè)/共92頁(yè)電樞反應(yīng)1直軸電樞反應(yīng)1.永磁直流電機(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]第14頁(yè)/共92頁(yè)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(qiáng)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(qiáng)度畸變實(shí)際上可以忽略不計(jì)。1.永磁直流電機(jī)_設(shè)計(jì)特點(diǎn)[2]第15頁(yè)/共92頁(yè)改善永磁電機(jī)的換向1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_優(yōu)化[1]普通直流電機(jī)在主磁極間加裝換向極，使換向極產(chǎn)生的磁場(chǎng)與交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)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(jī)因?yàn)橛来挪牧系氖褂枚鴰?lái)問(wèn)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(shí)，對(duì)改善換向收效甚微。第16頁(yè)/共92頁(yè)改善永磁電機(jī)的換向方法：偏心氣隙和靴角氣隙1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_優(yōu)化[1]第17頁(yè)/共92頁(yè)改善永磁電機(jī)的換向方法：偏心氣隙和靴角氣隙1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_優(yōu)化[1]永磁電機(jī)采用不均勻氣隙對(duì)改善換向比較有利。偏心氣隙長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度為2-3倍最小氣隙長(zhǎng)度。第18頁(yè)/共92頁(yè)降低噪音1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_優(yōu)化[1]偏心氣隙既是削弱電樞反應(yīng)磁場(chǎng)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(dòng)。因?yàn)樗箽庀洞琶馨l(fā)生變化，使本來(lái)一下子進(jìn)入磁極的齒槽變成逐漸進(jìn)入，減少了磁鋼對(duì)齒槽間氣隙磁密的突變。第19頁(yè)/共92頁(yè)2極12槽PMDC跨距5槽。1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_外電路第20頁(yè)/共92頁(yè)外電路界面工作界面元件庫(kù)1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_外電路第21頁(yè)/共92頁(yè)外面路圖1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_外電路第22頁(yè)/共92頁(yè)初始時(shí)間，bar0滯后正極電刷15度（機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)_外電路第23頁(yè)/共92頁(yè)

ComModel1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)_外電路第24頁(yè)/共92頁(yè)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(jī)設(shè)計(jì)_外電路第25頁(yè)/共92頁(yè)電磁轉(zhuǎn)矩1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第26頁(yè)/共92頁(yè)電流1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第27頁(yè)/共92頁(yè)電壓1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第28頁(yè)/共92頁(yè)一個(gè)線圈的電流和電壓1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第29頁(yè)/共92頁(yè)氣隙磁密1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第30頁(yè)/共92頁(yè)磁力線分布1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第31頁(yè)/共92頁(yè)FFT1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第32頁(yè)/共92頁(yè)FFT1.永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)第33頁(yè)/共92頁(yè)34永磁無(wú)刷直流

電機(jī)系統(tǒng)圖控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開(kāi)關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。2.無(wú)刷直流電機(jī)第34頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)不同類型轉(zhuǎn)子位置傳感器比較第35頁(yè)/共92頁(yè)無(wú)刷直流電機(jī)表兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)繞組和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序表第36頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B第37頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=1H2=0H3=0導(dǎo)通相：B第38頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=1H2=1H3=0導(dǎo)通相：C第39頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=0H2=1H3=0導(dǎo)通相：C第40頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=0H2=1H3=1導(dǎo)通相：A第41頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=0H2=0H3=1導(dǎo)通相：A第42頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)傳感器：H1=1H2=0H3=1導(dǎo)通相：B第43頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)_電樞反應(yīng)特點(diǎn)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(shí)：直軸在（a）最大去磁作用，（b）最大增磁作用。交軸對(duì)主磁場(chǎng)的作用是使氣隙磁場(chǎng)波形畸變。徑向畸磁可不考慮，切向激磁，使氣隙磁場(chǎng)前極尖部分B加強(qiáng)，后極尖B削弱。如果磁路不飽和，加強(qiáng)和削弱部分相等，反之產(chǎn)生飽和去磁作用。同時(shí)，畸變的氣隙磁場(chǎng)還使力矩波動(dòng)增加。第44頁(yè)/共92頁(yè)機(jī)械特性2.無(wú)刷直流電機(jī)_運(yùn)行特性徑向第45頁(yè)/共92頁(yè)調(diào)節(jié)特性2.無(wú)刷直流電機(jī)_運(yùn)行特性第46頁(yè)/共92頁(yè)工作特性2.無(wú)刷直流電機(jī)_運(yùn)行特性第47頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)_轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因定子齒槽引起的磁阻轉(zhuǎn)矩;電樞反應(yīng)引起磁場(chǎng)畸變;換相時(shí)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(dòng)。第48頁(yè)/共92頁(yè)斜極磁極分段錯(cuò)位斜槽，斜極和磁極分段錯(cuò)位分?jǐn)?shù)槽齒頂開(kāi)輔助槽槽極配合等方法

分?jǐn)?shù)槽2.無(wú)刷直流電機(jī)_定位轉(zhuǎn)矩第49頁(yè)/共92頁(yè)槽極配合法2.無(wú)刷直流電機(jī)_定位轉(zhuǎn)矩第50頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)_換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3]在ANSOFT外電路里面，通過(guò)改變每相導(dǎo)通時(shí)間，“PW,pulsewidth[s]”，使換相過(guò)程的中關(guān)閉相和開(kāi)通相有重疊部分，這樣可以實(shí)現(xiàn)重疊換相控制。針對(duì)不同的電機(jī)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(shí)，不能很好抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，當(dāng)重疊換相角大于最佳重疊換相角時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。重疊換相法第51頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)_換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3]第52頁(yè)/共92頁(yè)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(wú)刷直流電機(jī)_換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3]第53頁(yè)/共92頁(yè)重疊換相角2重疊換相角2.5重疊換相角32.無(wú)刷直流電機(jī)_換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3]第54頁(yè)/共92頁(yè)2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)主從邊界設(shè)定電機(jī)模型第55頁(yè)/共92頁(yè)轉(zhuǎn)矩電流2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)第56頁(yè)/共92頁(yè)額定負(fù)載反電勢(shì)2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)第57頁(yè)/共92頁(yè)氣隙磁密波形2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)第58頁(yè)/共92頁(yè)磁力線2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)第59頁(yè)/共92頁(yè)電機(jī)氣隙徑向磁場(chǎng)沿圓周方向的分布是不均勻的。為了便于磁路計(jì)算，引入了計(jì)算極弧系數(shù)。它可以定義為計(jì)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(jì)算_計(jì)算極弧系數(shù)2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)第60頁(yè)/共92頁(yè)平均磁密1計(jì)算器手動(dòng)設(shè)置計(jì)算2后處理計(jì)算2.無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)第61頁(yè)/共92頁(yè)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(jì)算鋼塊的在磁場(chǎng)中的受力。第62頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析輸入變量名變量填加到optimetrics第63頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析第64頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析第65頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析可以編輯變量第66頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析求解第67頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析結(jié)果第68頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析結(jié)果第69頁(yè)/共92頁(yè)3.參數(shù)化分析鐵塊受到的力第70頁(yè)/共92頁(yè)4.軟件幾個(gè)小問(wèn)題計(jì)算功率因數(shù)額定負(fù)載時(shí)額定功率因數(shù)求法：進(jìn)行額定負(fù)載條件下磁場(chǎng)計(jì)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(yè)/共92頁(yè)4.軟件幾個(gè)小問(wèn)題額定內(nèi)功率因數(shù)角計(jì)算求法：進(jìn)行空載條件下磁場(chǎng)計(jì)算。導(dǎo)出a相繞組的反電勢(shì)波形。進(jìn)行額定負(fù)載條件下磁場(chǎng)計(jì)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(yè)/共92頁(yè)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(gè)小問(wèn)題第73頁(yè)/共92頁(yè)4.軟件幾個(gè)小問(wèn)題非全模型計(jì)算注意問(wèn)題1.瞬態(tài)場(chǎng)選擇symmetrymultiplier設(shè)置,結(jié)果和全模型一致。第74頁(yè)/共92頁(yè)4.軟件幾個(gè)小問(wèn)題非全模型計(jì)算注意問(wèn)題2.靜態(tài)場(chǎng)和渦流場(chǎng)不能設(shè)置symmetrymultiplier,結(jié)果和全模型不一致，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理后才能得到實(shí)際結(jié)果。例：1/4模型計(jì)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(zhǎng)度成反比。假設(shè)模型磁通面積和全模型一樣，磁路長(zhǎng)度是全模型的1/4,則計(jì)算結(jié)果乘以4倍才和全模型結(jié)果一致。第75頁(yè)/共92頁(yè)[1]周敏德.影響永磁直流電機(jī)性能的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。[2]李鐘明.稀土永磁電機(jī)。[3]劉廣巖.抽油機(jī)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。參考文獻(xiàn)第76頁(yè)/共92頁(yè)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(yè)/共92頁(yè)附錄2：源設(shè)置靜態(tài)場(chǎng)電流源設(shè)置分6次講AXBYCZ設(shè)置?？啥鄠€(gè)線圈分配。第78頁(yè)/共92頁(yè)給定每相電流（3相電機(jī)共給定6次）。附錄2：源設(shè)置第79頁(yè)/共92頁(yè)在list中給定，修改電流值。附錄2：源設(shè)置第80頁(yè)/共92頁(yè)修改單個(gè)線圈或多個(gè)線圈電流值，方向等。附錄2：源設(shè)置第81頁(yè)/共92頁(yè)暫態(tài)場(chǎng)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(jī)。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(jī)。附錄2：源設(shè)置第82頁(yè)/共92頁(yè)填加A相繞組的線圈（填加coil）附錄2：源設(shè)置第83頁(yè)/共92頁(yè)附錄2：源設(shè)置第84頁(yè)/共92頁(yè)填加winding附錄2：源設(shè)置第85頁(yè)/共92頁(yè)Winding中填加線圈附錄2：源設(shè)置第86頁(yè)/共92頁(yè)附錄3