1、ANSOFT软件在电机设计中的应用（四）,报告人：李春艳,Ansoft学习,蓝带目标,必須通過綠帶的規定，並顯示有能力對以下功能進行: 建立模型，執行和結果分析。 後處理， 優化設計,掌握内容,1 基本操作 （1）建模 建立全模型，非全模型，CAD模型导入ansoft软件的方法。 （2）材料属性设置 正确为元件设定材料，填加材料。叠片方向，叠片电导率等。,Ansoft学习,掌握内容,（3）边界及源设定 气球边界，value边界，主从边界合理运用。静态场和暂态场电压源，电流源及外电路设定方法。 （4）参数设定 静态场主要为力和转矩，暂态场。 （4）求解条件设定及运算 （5）结果分析 静态场力和转
2、矩值，暂态场定位转矩，反电势波形，电流波形等。判断计算结果的正确性。根据分析结果可得到效率，功率因数等。,Ansoft学习,掌握内容,2后处理 电机磁力线，磁密云图分布，应用计算器画某条线上的切向，法向磁密波形（主要为气隙，齿和轭部磁密。）。求点的矢量磁位值。求漏磁系数，极弧系数，卡特系数等。波形导入和导出。FFT分解。 3优化设计 判断和评价设计方案。根据用户需求选择电机结构和控制方法。能够对电机进行优化，包括定位转矩，转矩波动，反电势波形，提高电机转速范围和提高电机效率等相关优化。运用相关的电机理论知识，分析调节不同参数如永磁体尺寸，磁桥宽度和绕组匝数等对电机某方面性能产生的影响，并能综合
3、比较选择合适的电机方案。,主要内容,永磁直流电机设计 无刷直流电机设计 永磁同步电机设计 永磁直线电机设计 参数化分析,结构,1.永磁直流电机,工作特性,1.永磁直流电机_运行特性,速率特性,转矩特性,效率特性,机械特性,1.永磁直流电机_运行特性,参数选取,1漏磁系数,漏磁系数较小,1.永磁直流电机_设计特点2,参数选取,1.永磁直流电机_设计特点2,2电磁负荷,参数选取,2电磁负荷,1.永磁直流电机_设计特点2,参数选取,2电磁负荷,B级绝缘直流电机电磁负荷经验值与D的关系。每一个D所对应的AB值有一个变化范围，根据具体情况选取。,1.永磁直流电机_设计特点2,磁路求解,1路算 2场算,1
4、.永磁直流电机_设计特点2,电机参数 12V 2400RPM 75W 0.299Nm,电枢反应,1直轴电枢反应,1.永磁直流电机_设计特点2,电枢反应,2交轴电枢反应（瓦片形）,以磁极中心线为界，电枢反应一侧助磁，一侧去磁。交轴电枢反应造成磁感应强度分布畸变。由于永磁体磁导率接近空气，交轴电枢反应磁路磁阻大，交轴磁通微弱，主极气隙磁感应强度畸变实际上可以忽略不计。,1.永磁直流电机_设计特点2,改善永磁电机的换向,1.永磁直流电机设计_优化1,普通直流电机在主磁极间加装换向极，使换向极产生的磁场与交轴电枢反应磁场抵消，以改善换向条件、减小换向火花，并可适当降低由换向不利引起的噪音。,永磁电机因
5、为永磁材料的使用而带来问题。作为磁极，磁钢是产生恒定不变的磁通的源，但它本身的磁阻却很大。当用磁钢作换向极时，对改善换向收效甚微。,改善永磁电机的换向方法：偏心气隙和靴角气隙,1.永磁直流电机设计_优化1,改善永磁电机的换向方法：偏心气隙和靴角气隙,1.永磁直流电机设计_优化1,永磁电机采用不均匀气隙对改善换向比较有利。偏心气隙长度从磁钢中心线至极尖连续光滑增大，抑制电枢反应引起的气隙磁场畸变，改善换向，也改善磁钢极尖处因受电枢反应而产生的不可逆去磁现象。,磁钢尖端削角而其余部分气隙均匀。圆弧两端各约六分之一变成直线，可抑制电枢反应，改善换向。,一般最大气隙长度为2-3倍最小气隙长度。,降低噪
6、音,1.永磁直流电机设计_优化1,偏心气隙既是削弱电枢反应磁场的办法，也能削弱由齿槽效应产生的交变力引起的噪声和振动。因为它使气隙磁密发生变化，使本来一下子进入磁极的齿槽变成逐渐进入，减少了磁钢对齿槽间气隙磁密的突变。,2极12槽PMDC,跨距5槽。,1.永磁直流电机设计_外电路,外电路界面,工作界面,元件库,1.永磁直流电机设计_外电路,外面路图,1.永磁直流电机设计_外电路,初始时间，bar0滞后正极电刷15度（机械角度，a half commutating bar pitch）,它滞后负极电刷195度。Bar1则滞后正极电刷-15度，滞后负极165度。以此类推。,1.永磁直流电机设计_外
7、电路,ComModel,1.永磁直流电机设计_外电路,碳刷宽度wideB=2*arcsin(8/24)=38.9(deg),换向器直径24mm，碳刷宽度8mm。,换向片宽度为 wideC=360/12-2arcsin(0.5/24)=27.6(deg),换向片数12，换向器绝缘0.5mm。,1.永磁直流电机设计_外电路,电磁转矩,1.永磁直流电机设计,电流,1.永磁直流电机设计,电压,1.永磁直流电机设计,一个线圈的电流和电压,1.永磁直流电机设计,气隙磁密,1.永磁直流电机设计,磁力线分布,1.永磁直流电机设计,FFT,1.永磁直流电机设计,FFT,1.永磁直流电机设计,特种电机及其控制,3
8、4,永磁无刷直流 电机系统图,控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。,2.无刷直流电机,2.无刷直流电机,不同类型转子位置传感器比较,无刷直流电机,表两相导通星形三相六状态绕组和开关管导通顺序表,2.无刷直流电机,传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B,2.无刷直流电机,传感器：H1=1 H2=0 H3=0 导通相：B,2.无刷直流电机,传感器：H1=1 H2=1 H3=0 导通相：C,2.无刷直流电机,传感器：H1=0 H2=1 H3=0
9、导通相：C,2.无刷直流电机,传感器：H1=0 H2=1 H3=1 导通相：A,2.无刷直流电机,传感器：H1=0 H2=0 H3=1 导通相：A,2.无刷直流电机,传感器：H1=1 H2=0 H3=1 导通相：B,2.无刷直流电机_电枢反应特点,电枢反应与磁路的饱和程度，转向，电枢绕组联接方式，导通顺序和磁状态角大小有关。以二相导通星形三相六状态为例，工作在A和B相导通的磁状态范围时：,直轴在（a）最大去磁作用，（b）最大增磁作用。,交轴对主磁场的作用是使气隙磁场波形畸变。径向畸磁可不考虑，切向激磁，使气隙磁场前极尖部分B加强，后极尖B削弱。如果磁路不饱和，加强和削弱部分相等，反之产生饱和去
10、磁作用。同时，畸变的气隙磁场还使力矩波动增加。,机械特性,2.无刷直流电机_运行特性,径向,调节特性,2.无刷直流电机_运行特性,工作特性,2.无刷直流电机_运行特性,2.无刷直流电机_转矩脉动,电磁转矩脉动原因 定子齿槽引起的磁阻转矩; 电枢反应引起磁场畸变; 换相时由于绕组电感的影响,存在换相电流延迟,从而引起转矩脉动。,斜极,磁极分段错位,斜槽，斜极和磁极分段错位 分数槽 齿顶开辅助槽 槽极配合等方法,分数槽,2.无刷直流电机_定位转矩,槽极配合法,2.无刷直流电机_定位转矩,2.无刷直流电机_换相转矩脉动3,在ANSOFT外电路里面，通过改变每相导通时间，“PW,pulsewidths
11、” ，使换相过程的中关闭相和开通相有重叠部分，这样可以实现重叠换相控制。针对不同的电机有不同的最佳重叠换相角，当重叠换相角小于最佳重叠换相角时，不能很好抑制转矩脉动，当重叠换相角大于最佳重叠换相角时，又会产生新的转矩脉动。,重叠换相法,2.无刷直流电机_换相转矩脉动3,重 叠 换 相 角 0,重 叠 换 相 角 0.5,重 叠 换 相 角 1,重 叠 换 相 角 1.5,2.无刷直流电机_换相转矩脉动3,重 叠 换 相 角 2,重 叠 换 相 角 2.5,重 叠 换 相 角 3,2.无刷直流电机_换相转矩脉动3,2.无刷直流电机设计,主从边界设定,电机模型,转矩,电流,2.无刷直流电机设计,额
12、定负载反电势,2.无刷直流电机设计,气隙磁密波形,2.无刷直流电机设计,磁力线,2.无刷直流电机设计,电机气隙径向磁场沿圆周方向的分布是不均匀的。为了便于磁路计算，引入了计算极弧系数。它可以定义为计算极弧宽度与极距的比值；也可以也可以定义为气隙平均磁通密度与最大磁通密度的比值。,参数计算_计算极弧系数,2.无刷直流电机设计,平均磁密,1计算器手动设置计算,2后处理计算,2.无刷直流电机设计,3.参数化分析,算例,一导磁体钢块以一通电流线圈的中心线为圆心旋转一圈，计算钢块的在磁场中的受力。,3.参数化分析,输入变量名,变量填加到optimetrics,3.参数化分析,3.参数化分析,3.参数化分
13、析,可以编辑变量,3.参数化分析,求解,3.参数化分析,结果,3.参数化分析,结果,3.参数化分析,铁块受到的力,4.软件几个小问题,计算功率因数,额定负载时额定功率因数求法：进行额定负载条件下磁场计算。导出a相绕组的电压和电流波形，求取夹角，即求出功率因数。,4.软件几个小问题,额定内功率因数角计算,求法：进行空载条件下磁场计算。导出a相绕组的反电势波形。进行额定负载条件下磁场计算，导出a相绕组电流波形，求取夹角，即可求出内功率因数角。,阻尼系数D=(风靡和摩擦损耗)/速度的平方单位：损耗w,速度rad/s 叠片电导率,eff-有效电导率 orig初始电导率 SF-叠片系数 N-叠片数量 叠
14、片电导率,4.软件几个小问题,4.软件几个小问题,非全模型计算注意问题,1.瞬态场选择 symmetry multiplier设置,结 果和全模型一致。,4.软件几个小问题,非全模型计算注意问题,2.静态场和涡流场不能设置symmetry multiplier,结果和全模型不一致，需要根据实际情况进行处理后才能得到实际结果。 例：1/4模型计算电感。根据电感公式可知电感与磁通截面成正比，与磁路长度成反比。假设模型磁通面积和全模型一样，磁路长度是全模型的1/4,则计算结果乘以4倍才和全模型结果一致。,1 周敏德. 影响永磁直流电机性能的几个关键问题。 2李钟明.稀土永磁电机。 3刘广岩.抽油机用
15、永磁无刷直流电机设计及转矩脉动抑制。,参考文献,附录1：定义材料属性冲片设定,冲片的方向设定，叠片系数设定,附录2：源设置,静态场电流源设置 分6次讲AXBYCZ设置。可多个线圈分配。,给定每相电流（3相电机共给定6次）。,附录2：源设置,在list中给定，修改电流值。,附录2：源设置,修改单个线圈或多个线圈电流值，方向等。,附录2：源设置,暂态场电流源设置 2种方法： 1）先填加winding，再填加coil。winding填加3次。槽数为n，则填加coil的次数为n次。这种设置适合槽数较少的电机。 2）先填加coil，再填加windingcoil填加6次（AXBYCZ),winding填加
16、3次。这种设置适合槽数较多的电机。,附录2：源设置,填加A相绕组的线圈（填加coil）,附录2：源设置,附录2：源设置,填加winding,附录2：源设置,Winding中填加线圈,附录2：源设置,附录3：求取直线上的磁密分布（法向，切向，幅值等）,Example：求取直线上的法向磁密分布。 步骤1：field overlays右键calculator。,2）quantityB，GeometryLinePolyline1 3）VectorUnit VectorNormal 4）VectorDot 5）点Add按钮，取名为MagB_normal_line 6）点Ok按钮，完成。,附录3：求取直线
17、上的磁密分布（法向，切向，幅值等）,步骤2： 1）在Results上右键，Create Fields Report， Rectangular report 2）在Geometry里面选择polyline1 3）在X后面的下拉菜单中选择Distance 4）依次选择CategoryCalculator Expressions Bnorm 5）点New report，close,附录3：求取直线上的磁密分布（法向，切向，幅值等）,附录4：电机参数计算方法,卡特系数电机定、转子的开槽，使得气隙的等效磁阻增大，在电机的磁路计算中，尤其是计算气隙磁位差时，必须考虑开槽的影响，为此引入了卡特系数。它是计算气隙与实际气隙长度的比值，也是实际的气隙最大磁通密度与计算时采用的气隙最大磁通密度之比：,谢 谢,欢迎批评指正,
