有限元分析软件Ansoft在电机领域中的应用

有限元分析软件Ansoft在电机领域中的应用

一 ansoft软件各模块的简单介绍

1 RMxprt

该软件用于探索电机设计空间、快速确定设计方案，并能进行优化设计 它已经可以进行十三种电机类型的设计：

三相感应电机 单相感应电机

永磁无刷直流电机 永磁直流电机 通用电机

开关磁阻电机

调速运行永磁同步电机 自起动三相永磁同步电机 三相同步电机 三相同步发电机 永磁同步发电机

特点：

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向导式介面，参数化输入: 工作条件,几何尺寸, 材料特性 基于磁网路法 的快速解析分析 详细的结果输出：图形和表格

利用对称条件生成最小有限元分析模型，用于电机动态过程详细有限元分析 参数化设计能力：尺寸、材料等无需指定。可用一定变化范围的变量表示 优化设计功能

求解时考虑材料非线性b – h特性 自动设计功能: 槽型设计和线规选择 提供丰富的预设计电机模型库

? ? ? ? ? ? 输入数据自动验证

提供美国、中国材料库和公制、英制尺寸

针对电机种类的多种绕组型式和用户定义绕组连接方式 多种负栽种类: 恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵 三维斜槽和端部效应

无刷电机、开关磁阻电机、永磁同步电机驱动线路类型、控制方式选择和开关管参数设定

2. Maxwell 2D

二维电磁场、温度场，瞬态场分析软件，Maxwell? 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。

3. Maxwell 3D

包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损耗计算和热分析模块，其核心是针对三维电磁场分析而优化的有限元技术。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得Maxwell 3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。

4. Optimetrics

Optimetrics是Maxwell 3D的选件模块，用于优化、参数分析和敏感性分析。Optimetrics为设计者评估特定参数和目标函数之间关系最终进行装置优化提供了有力工具。采用宏功能，仿真过程中可以对形状、激励/边界条件、频率等进行参数分析优化。

OPTIMETRICS是绝佳的参数化和优化引擎，它可让用户从一非常简洁易用的界面执行参数分析、敏感性分析、优化和其他许多设计研究。OPTIMETRICS模块驱动ANSOFT的电磁场解算器，使工程师们能用精确电磁场仿真来设计电子器件和产品。采用OPTIMETRICS，就可以很快很轻易地执行大量的设计变量、优化器件，并自动进行实验设计研究来推导出敏感性和不确定性与制造容差之间的函数关系。

OPTIMETRICS自动产生和修改宏。用户建立一个项目并定义要改变的独立参数。宏编辑器模块自动解释宏文本中的特显行，使用户可定义独立变量，然后用户再定义在参数分析中需计算的非独立变量，或在优化中需最小化的COST函数。非独立变量和COST函数在HFSS中可以是任意的计算值：场值、S-参数、频率响应、本征模、阻抗等。HFSS执行所要求的计算，向参数分析提供便利的表格形式的输出，向优化提供最佳的设计要求。报告生成器使用户能绘出参数仿真中独立参数与非独立参数间的关系以及优化中费用函数及其他度量与周期的关系。

5. simplorer

二 沈阳ansoft电磁场培训笔记摘要

1) RMxprt 笔记摘要

其中的periodic 寻找对称周期 difference: 定转子相差一定角度

2． Maxwell 2D 笔记摘要 ?

Maxwell2D里面的定义充磁方向问题：

径向充磁： assign

align object : 沿物体方向

align with a given diretion: 沿与x轴以一定的角度 align relative to orientation:

角度可以是函数 如OUT=PHI, IN=PHI-180

PHI: 物体上的该点与圆心所构成的直线与x轴的夹角。

Ansoft里面区分大小写

?

Maxwell2D静态分析：

Total: 总的电流电压， 100,-100,50,-50

在maxwell2d静态分析种可以设定求解变量，在后处理中用的到。 Number of required pass: 需要求解的次数。 Solve comvergens: 收敛过程

Solution matrix: 求解矩阵，如电感矩阵，得到的是单位长度的电感，还要进行计算

?

后处理部分：surface-all 选择

mag B : 磁密幅值，上限可以调整 B-vector: B矢量

?

在某些曲线上的数据的图形显示

这里注意一下后处理中计算器的应用。

以及后处理中Macro宏的录制和应用问题。

瞬态边界设定： phaseA：

激励：电流，电压，外电路(external circuit)

激励可以用Function, 其中P代表电机现在位置，S为转速，T为仿真起始时间 Edit/电路编辑器， 电阻，主绕组，漏感，

?

周期边界条件 ：

奇数个极slave= －master 偶数个极slave= master

motion setup： 设定band 边界，内为运动，外为静止

band把转子包起来

?

可以设置函数转速：

0 3000 1 3000 2 6000 3 6000

model depth: 轴向长度

3．Maxwell3D ?

ACIS-based Kernel

*.sat, *.igs *.stp *.sld *.geo

材料参数变化

3D solver： 静电场

静磁场 涡流场 温度场

瞬态场：电机运动，负载变化，动态过程

静电场： 电压电流激励， 标量位 ED—力、转矩，储能 静磁场： 永磁 直流电流

外部边界上的静态磁场

涡流场： 1. 单纯正弦 正弦电流（给幅值） 2. 时变外部激励等 瞬态场： 任意电流、电压 外接力、转矩

?

例子：

流程 create: name magneticstatic thermal simulation R 10 H 1000 36段 x=0 y=0 z=500

circle 轴在x轴上 R=0

Sweep along axies Circle 360

移动坐标系 solid 分割

range 0 刚刚包住求解区域

设定材料： backgrand : air 中间圆棒： steel 圆环： copper

边界激励

?

封闭物体加电流方法：

先选截面，surface\\section,选YZ面，选物体后，ok, slice,slice1 cover lines, 包络线――面 slice1

加电流后，选face, slice face, 1000A， solid 实心导体

strand 多根线

plot cutplane set Mag B

?

3维Vector B 只在表面画出，磁密可以在体上画出，

可以强加边界条件， pick face

?

涡流场分析：

将上面的例子中的圆棒材料改为铜，圆环也改为铜，

?

非封闭加电流

注意：加电流的面必须在边界上，

pick face: swap direction(转变电流方向) value 10000A

?

3D 瞬态分析的例子

3相变压器 face，source, coil terminal

boundary, even 磁力线垂直

winding setup：voltage , strand, function 1414*sin(360*50*T), voltage A, total turns 1669等

Transient: 瞬态分析

电机端部例子

主 从 slave 面 原点坐标

定子槽上下之间的绝缘，有绝缘边界，槽体也有绝缘

导条里电流交变的变化

三维带运动

?

爪极发电机

参数化优化设计 RMxprt参数设计

Input parameters

输入变量

data sweep t_start t_end

preview

postprocessor patameter table

Rmxprt优化设计

?

Simplorer的部分内容

三 ansoft在电机设计分析领域中的应用举例

Rmxprt的应用:

以2.2kwY系列三相感应电动机为例， 界面输入数据入下： General 界面：

stator1界面

stator2界面

rotor1界面：

rotor2界面：

上面参数输入完毕之后

点取analysis /analytical design,

出现提示“Design program ran successfully”后表明分析完毕 此时打开Post process/design output 程序将给出设计结果：

再点击analysis /view geometry 在2D modeler中将给出图形：

如果将上面的periodic改为1，difference改为30，得到的geometry如图所示

创建maxwell2D project

Analysis/create maxwell2D project

在弹出的create Maxwell 2D project窗口中输入工程名和存放工程的路径，例如。

点取create以后将出现提示“A Maxwell 2D project named fuday1 created”

到这里此版本的rmxprt的整个流程完毕。

细节问题：

1． 非线性材料的数据输入问题

2． View lamni

3． 在最新版本中涵盖了参数化设计以及优化设计，

4． 在最新版本中还有create simplorer project 功能，即产生simplorer里面的有限元部分

5． Ansoft有独立于以上版本的optimatrics模块，不过是从此模块中调用maxwell2D,maxwell3D,以及

RMxprt

下面进入maxwell 2D的使用环节：

Maxwell2D

Maxwell2D选择工程界面：

点取ok以后进入maxwell 2D 主界面：

Maxwell 2D 的求解器

绘图平面：

这里以瞬态场分析为例：

点击Define Model下的Draw model

显示界面如下：

2.shaft的材料定义为空气

3.band的材料定义为air

退出setup material后进入setup boundary/source环节：

定义电压源（或电流源）

其中单击option按钮出现的对话框为：

单击function出现的对话框为：

另外，这里支持条件表达式，点击左下角的help按钮将出现提示对话框如下：

由于前面选择的是绞线型，所以这里还要对“winding”进行设置

端部连接的设定：

端部连接设定完之后退出“setup boundary/source”环节，进入“Setup option”环节

点击setup option/option 出现的界面为：

自己定义网格剖分，电机mannual mesh：

将出现提示框：

选择“是”，即手工创建网格，自己调整网格

程序默认的网格剖分

网格细化问题：

如果对某部分区域的网格不满意，可以进行网格细化 例如：

1） 利用area选择区域细化

细化后的网格如图所示：

利用area选择整个电机区域以后的细化

2） 另外还可以根据需要，对具体的对象进行细化，如对定子进行细化

网格图形对比：

程序默认的网格剖分 定子细化后的网格剖分

确定好网格剖分以后，进入motion setup(机械运动设置)

设定运动边界以后，点击“Mechanical setup…”，进行机械运动设定，这里设定负载和转动惯量等。

以上设定完毕之后进入求解过程

点击solve下的Nominal problem 进入求解过程。

后处理

求解完毕之后进入后处理模块，点击post process/Fields，进入场分析模块

将会弹出Post process saved fields窗口，提示你从求解结果中提取要分析的某时刻的场数据。 这里以0.183 out0.pjt为例，点击post process! 后进入2D post processor界面

此时只给出了电机截面的wire frame形式，下面画出磁力线分布 点击post/plot

弹出如图所示的对话框，对应的选择图形中的圆圈区域，

选好以后，点击左下角的“Execute”， 此时将会画出磁力线分布：

下面以画出B_vector 如图所示

画出的B Vector为

另外，还可以画出气隙中心线上的磁密分布等，

点击post process/transient data 可以画出以下瞬时值曲线： Back EMF 反电势曲线：

导体电流曲线：

绕组电流曲线：

转速曲线：

转矩曲线：

还可以画出其他几种曲线，这里不再一一列举，需要注意的问题是：

1． Plot data 画出的曲线可以另存为*.dat文件，也就是说，可以将数据转入其他程序文件，

2． 在calculator中可以对结果数据进行 提取、分析、计算，如可以在电流数据dat文件中提取出某一个绕

组的电流数据，然后对其进行频谱分析。如图所示：即为FFT变化以后的频谱图 {步骤如下：

a. 在Plot data中画出current.dat

b. 点击tools/calculator, 在出现的对话框中的loaded signal中选择一组绕组电流，

c. 点击copy>>，即将其放入堆栈，

d. 然后在堆栈窗口中将其选中，点击右下角的FFT

e. 在出现的对话框中选择适当的Data window, 如果data used 大于上面的数据，点击down,ok f.

此时在堆栈窗口中将出现两组数据，如

g. 选择Mag(…),点击Load，将其放入Loaded signal窗口，再点击左下角的“Done” h. 回到plot data主界面，点击plot/edit plot,在出现的窗口中选择“Mag（。。。）”，ok i. 如果图形太小，则选择如图所示的圆圈，ok

图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/edrr.html