電動機(jī)及其計算機(jī)仿真 第05章 電動機(jī)MATLAB和Ansoft仿真基礎(chǔ)

電動機(jī)MATLAB和Ansoft仿真基礎(chǔ)“第五章電動機(jī)及其計算機(jī)仿真0

1PARTONEMATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境00MIATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境MATLAB(MatrixLaboratory)是一款仿真軟件，制造商為美國MahWorks

公司，是產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代的一種綜合類仿真軟件，它具有用戶界面友好和開放性強(qiáng)的突出特點。MATLAB可以把矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、圖形用戶界面和編程技術(shù)集成在一起，是使用者強(qiáng)有力的工程問題分析、計算及程序設(shè)計的工具。MATLAB應(yīng)用于許多學(xué)科已經(jīng)是一款適用于多學(xué)科、多平臺和功能強(qiáng)大的仿真軟件。因為其強(qiáng)大的實用性，MATLAB經(jīng)成為許多高校工程專業(yè)必修的課程之一，大多數(shù)高等院校和科研院所也用MATLAB作主要的科研工具。00MIATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境MATLAB的初始工作環(huán)境如圖5.1所示，通常包括菜單欄、工具欄、當(dāng)前目錄窗口、工作空間窗口、歷史命令窗口和命令窗口。1)MATLAB中的窗口及說明介紹MATLAB中的窗口及說明介紹見表5.100MIATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境2)MATLAB軟件的菜單欄說明MATLAB軟件的菜單欄說明見表5.20

2PARTTWOMATLAB常用命令00MATLAB常用命令表5.3給出了MATLAB中常用的命令0

3PARTTHREESimulink簡介01Simulink概述Simulink為一款功能特別強(qiáng)大的系統(tǒng)模型搭建、運(yùn)算和進(jìn)行相關(guān)學(xué)科研究的工具，MATLAB環(huán)境下的Simulink模塊可以形成圖形化輸出曲線，同時它可以與其他系統(tǒng)對接，對復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)混合建模，對于單一具體的子系統(tǒng)，可以方便地生成模塊并將其放到系統(tǒng)模塊庫中供其調(diào)用。采用計算機(jī)來模擬被研究的對象。在研究分析之前，模擬是基于物理對象或物理模型的，即物理模擬。仿真模型建立大致過程：利用數(shù)學(xué)方程抽象出系統(tǒng)模型，進(jìn)行運(yùn)算規(guī)則的選用，編寫或輸入相應(yīng)模塊并在計算機(jī)中運(yùn)行，啟動系統(tǒng)，進(jìn)行模型的自動運(yùn)算，然后按照當(dāng)前運(yùn)算結(jié)果調(diào)整完善數(shù)學(xué)模型。01Simulink概述如圖5.2所示為Simulink輸出的變頻余弦函數(shù)?，F(xiàn)代系統(tǒng)都比較復(fù)雜，Simulink能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)簡單抽象為可控的數(shù)學(xué)模型，建立更真實的系統(tǒng)模型，例如，建立區(qū)域電網(wǎng)模型模擬奧運(yùn)會場供電及突發(fā)故障的分析、模擬瘟疫病毒的生長規(guī)律、進(jìn)行載人航天飛船的艙體設(shè)計等。02Simulink簡單操作想要開始運(yùn)行Simulink，選擇MATLAB的命令窗口，輸入Simulink命令，或者單擊主界面上的圖標(biāo)，就可以開始運(yùn)行模塊了。界面直接轉(zhuǎn)入Simulink模塊庫瀏覽器窗口，如圖5.3所示1.Simulink運(yùn)行02Simulink簡單操作Simulink菜單操作的名稱及功能見表5.42.Simulink菜單介紹02Simulink簡單操作3.Simulink模型庫中的模塊03SimPowerSystems工具箱1.電源模塊庫(ElectricalSources)在Simulink中特別設(shè)計了電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)，這樣就為包括電氣專業(yè)在內(nèi)的大多數(shù)工科建模提供了可選模塊，建模效率就會很高。電力系統(tǒng)模塊庫如圖5.4所示。它主要包含電路、電力系統(tǒng)中常用的各種理想電源及可編程電源等，如直流電壓源(DCVoltageSource)、交流電壓源(ACVoltageSource)、交流電流源(ACCurrentSource)、受控電壓源(ControlledVoltageSource)、受控電流源(ControlledCurrentSource)和三相電源(Three-PhaseSource)等。03SimPowerSystems工具箱2.電氣元件庫(Elements)電氣元件庫中提供了各種線性和非線性元件，主要包括串并聯(lián)支路元件(Elements)輸配電線路元件(Lines)、斷路器元件(CircuitBreakers)、各種類型的變壓器元件(Transformers)等。電機(jī)模塊庫包括以下幾種電機(jī):同步電機(jī)SynchronousMachine)異步電機(jī)(AsynchronousMachine)、永磁式同步電機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMachine)和直流電機(jī)(DCMachine)等。3.電機(jī)模塊庫(Machines)03SimPowerSystems工具箱4.電力電子模塊庫(PowerElectronics電力電子模塊庫提供了各種電力電子器件及其附屬電路，主要包括:電力二極管(Diode)、晶閘管(Thyristor)、理想開關(guān)(IdealSwitch)電力場效應(yīng)管(Mosfet)等。測量模塊庫提供了對系統(tǒng)中各種信號進(jìn)行測量輸出的功能模塊，但一般情況下這些模塊要與顯示模塊配合使用，主要包括電流測量模塊(CurrentMeasurement)電壓測量模塊(VoltageMeasurement)、阻抗測量模塊(ImpedanceMeasurement)、萬用表(Multimeter)三相電流電壓測量模塊(Three-PhaseVIMeasurement)等5.測量模塊庫(Measurements)04Simulink運(yùn)行1.Solver(求解器)單Simulation-ConfigurationParameters，出現(xiàn)仿真變量設(shè)定窗口，如圖5.5所示它可以用來限定仿真的起始和完成時刻、求解方法的設(shè)定和求解精度04Simulink運(yùn)行2.Datalmport/Export(數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出)其作用是實現(xiàn)Simulink和MATLAB工作空間交換數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出參數(shù)的設(shè)置如圖5.6所示。04Simulink運(yùn)行3.Diagnostics(診斷)這個選項可以用來處理一些非正常事件的出現(xiàn)，仿真異常診斷設(shè)置如圖5.7所示。4.觀察Simulink的仿真結(jié)果單擊按鈕開始仿真，仿真完成后觀察仿真輸出。0

4PARTFOURMATLAB簡單仿真算例00MATLAB簡單仿真算例電力系統(tǒng)主要研究發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等一系列過程，在研究電力模型時如果單靠物理模型會使建模的投資變得巨大利用Simulik可以在工程研發(fā)的初級階段建模進(jìn)行方案的論證和運(yùn)動規(guī)律的分析，從而大大簡化工程的工作量。從事電力電子產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)的工作人員，經(jīng)常需要對所設(shè)計的電路進(jìn)行計算機(jī)模擬與仿真計算，以優(yōu)化參數(shù)與配置其作用就是看一下設(shè)計的硬件電路能否符合預(yù)期目標(biāo)，或者調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)效果最優(yōu)。00MATLAB簡單仿真算例通過一個由二極管組成的三相整流電路說明Simulink建模和仿真的基本流程具體步驟如下。(1)打開Simulink界面，將各種需要的器件拖到模型建立區(qū)并進(jìn)行連接，在其中建立如圖5.8所示的三相整流仿真模型。

00MATLAB簡單仿真算例1號二極管不帶測量模塊參數(shù)設(shè)置如圖5.11所示。2號和3號二管帶量模塊參數(shù)設(shè)置如圖5.12所示。00MATLAB簡單仿真算例負(fù)載電阻R數(shù)值給定如圖5.14所示電感L參數(shù)設(shè)置如圖5.13所示00MATLAB簡單仿真算例（3)設(shè)置仿真參數(shù)。單擊Simulation-ConfigurationParameters，出現(xiàn)仿真變量設(shè)定窗口,在求解器選項(Solveroptions)中選擇Variable-step和ode23tb算法，Relativetolerance設(shè)置為0.001，其他為默認(rèn)設(shè)置，仿真時間為0.1s。（4)運(yùn)行模型并觀察仿真結(jié)果。連續(xù)系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5.15所示。00MATLAB簡單仿真算例（5)用離散系統(tǒng)仿真。雙擊模型中的powergui，彈出如圖5.16所示的離散模型設(shè)置對話框，選擇離散模型。離散模型仿真結(jié)果如圖5.17所示。00MATLAB簡單仿真算例0

5PARTFIVE電動機(jī)模型的繪制及仿真設(shè)置彈出如圖5.18所示的新建工程文件界面。單擊新建圖標(biāo)，新建一個工程文件，就可以進(jìn)行模型的建立了。01Ansoft電動機(jī)仿真啟動在計算機(jī)中成功安裝MaxwellAnsoft軟件后，雙擊快捷圖標(biāo)，就可以啟動軟件了，如圖519所示為建立好的MaxwellAnsoft運(yùn)行界面中的一個電動機(jī)模型。01Ansoft電動機(jī)仿真啟動圖5.19中，左上方是工程欄，它可以管理一個工程文件或幾個工程文件。左側(cè)中間是變量欄，該部分主要顯示繪制模型的屬性，同時在此可以修改模型屬性。中間區(qū)域是工程樹欄，這部分可以編輯工程模型的各個組成、各部分材料設(shè)定。右上區(qū)域是繪圖區(qū)，用戶可以在此編輯繪制仿真模型，仿真結(jié)束后，可以在此顯示處理后的結(jié)果，比如場圖、云圖或磁密曲線等。左側(cè)下部是信息欄，在此可以顯示仿真進(jìn)度、錯誤信息或者警告等內(nèi)容。右側(cè)下部是進(jìn)度欄，在仿真過程中，有一條紅色的進(jìn)度條顯示仿真進(jìn)度。永磁直流電動機(jī)額定功率為26W,額定電壓為12V,定子外徑為2mm,定子內(nèi)徑為40mm極對數(shù)為1，磁極厚度為2mm，轉(zhuǎn)子外徑為38mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為10mm，電樞沖片槽數(shù)為10。02具體建模過程（1)雙擊快捷圖標(biāo)就可以啟動軟件，單擊新建按鈕，然后在Project下拉菜單中選擇InsertMaxwell2DDesign，彈出如圖5.20所示的電動機(jī)模型繪制界面。系統(tǒng)默認(rèn)求解類型為Magnetostatic。02具體建模過程(3)按照上述步驟建立直徑為40mm的圓平面。選中所畫的模型，依次選擇Edit一Boolean一Subtract...，兩個圓界面的減法操作生成對話框如圖5.22所示。這樣操作后會彈出如圖5.23所示的布爾操作減法運(yùn)算界面，單擊0K按鈕，完成布爾操作，電動機(jī)的定子鐵芯模型就完成了，如圖5.24所示為生成的定子鐵芯模型。02具體建模過程02具體建模過程02具體建模過程。按照上述方法繪制半徑為20mm的兩條曲線，如圖5.28所示完成圓弧的生成。再按照圖5.29所示完成永磁體面四條線模型。02具體建模過程（5)封閉生成的四條曲線。選中上部這四條線模型，進(jìn)行整體連接操作。接著將剛生成的Unite模型生成面模型，如圖5.30所示。上部永磁體模型生成，如圖5.31所示。同理，按照上述方法也可以將下部的永磁體生成面模型。如圖5.32所示是整個永磁體模型生成的電動機(jī)模型。02具體建模過程（6)電動機(jī)轉(zhuǎn)子模型的建立?？梢圆捎蒙鲜龇椒ㄟM(jìn)行轉(zhuǎn)子模型的繪制。此處采用Ansoft軟件自帶的RMxprt調(diào)用操作，利用RMxprt簡便建立電動機(jī)轉(zhuǎn)子模型，如圖5.33所示。轉(zhuǎn)子具體參數(shù)設(shè)置對話框如圖5.34所示。在建好的一個轉(zhuǎn)子模型槽中，畫出轉(zhuǎn)子繞組模型，然后通過旋轉(zhuǎn)、復(fù)制操作，在其他槽中生成繞組。最后生成的永磁直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖5.35所示。03材料屬性與管理(1)定子鐵芯材料選擇電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子模型建立以后，所有的材料軟件默認(rèn)為“vacuum”為了模擬仿真，必須對各部件的材料進(jìn)行設(shè)置。選中定子鐵芯，右擊，在彈出的快捷菜單中選擇AssignMaterial...，如圖5.37所示具體方法為選中需要更改的部件，右擊，在彈出的快捷菜單中選擇Edit一Properties...進(jìn)行鐵芯材料設(shè)定，如圖5.36所示。03材料屬性與管理單擊ADDMaterial..按，在彈出界面MaterialName文本框中輸入DW50，然后在相對磁導(dǎo)率中將Type選擇為非線性Nonlinear，單擊BHCurve..彈出材料的B-H屬性參數(shù)設(shè)置對話框，如圖5.39所示。在數(shù)據(jù)欄添加材料的B-H屬性參數(shù)，單擊0K按完成設(shè)置。進(jìn)行定子鐵芯材料屬性更改，彈出如圖5.38所示材料設(shè)置界面.03材料屬性與管理(2)添加永磁體材料，界面如圖5.40所示。永磁體命名為PM，選擇下方的PermanentMagnet...，彈出如圖5.41所示的永磁體材料設(shè)置界面。具體設(shè)置如圖5.41所示單擊OK按鈕，彈出如圖5.42所示的永磁體材料充磁方向界面，選擇徑向充磁方向，RComponent的數(shù)值設(shè)為“-1”將另一個永磁體材料也進(jìn)行材料賦值，RComponent的數(shù)值設(shè)為“1”，這樣就形成了兩個極性相反的永磁磁極。03材料屬性與管理(3)電樞繞組材料選擇。轉(zhuǎn)子繞組材料賦值設(shè)置如圖5.43所示。轉(zhuǎn)子鐵材料定義和定子鐵芯材料一樣，為DW50。最后生成一個能包住整個電動機(jī)的Band，即真空求解區(qū)域。至此，整個永磁電動機(jī)模型繪制結(jié)束。材料屬性定義后永磁直流電動機(jī)模型如圖5.44所示。04邊界條件和激勵源設(shè)置由于仿真的是靜態(tài)磁場，所以只需要設(shè)置平行邊界條件。具體方法為，單擊鼠標(biāo)右鍵選擇SelectEdges，