最新Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比精编版.docx

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最新Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比精编版

2020年Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比精编版

Ansoft瞬态磁场计算（未考虑外电路）

总结整理：

2008-6-4于德国Kassel大学

1、说明

2、电机额定运行时的瞬态场分析与计算

2.1SetupBoundaries/source（重点考虑SourceSetup）

2.2SetupSolution

选择[SetupSolution]|[Options]

2.3SetupSolution

选择[SetupSolution]|[MotionSetup]

2.4Solve|NominalProblem

2.5PostProcess

PostPress/Transistantdate：

2.5.1计算平均输出功率：

AverageOutputPower

2.5.2计算相电流有效值：

2.5.3计算输入电功率，由此可以计算效率

2.6PostProcess

PostProcess/field：

2.6.1齿部磁密分布和磁密平均值计算

2.6.1.1齿部磁密分布

2.6.1.2齿部磁密平均值计算

2.6.1.3沿齿弧磁密分布和沿齿磁密分布的差异

2.6.2定子轭部磁密分布和磁密平均值

2.6.3定子轭部磁密分布和磁密平均值

2.6.4气隙磁密分布和磁密最大值

3、电机空载额定转速运行时的瞬态场分析与计算

3.1SetupBoundaries/source（重点考虑SourceSetup）

3.2SetupSolution

选择[SetupSolution]|[Options]

3.3SetupSolution

选择[SetupSolution]|[MotionSetup]

3.4计算结果

4、考虑铁耗的计算结果

4.1铁耗计算设置

4.2额定负载时考虑与不考虑铁耗时的比较

4.3负载很小时的比较

4.3.1考虑铁耗时

4.3.2不考虑铁耗时

5、Maxwell与RmxPrt计算结果比较

5.1磁密及额定值比较

5.2额定转速时永磁相电势比较

5.3气隙磁密分布

6、其他心得

1、说明

以16极36槽调速永磁同步电动机为例进行分析电机的瞬态场计算，电机由RmxPrt开始，并将该模型加到MAXWELL11中。

RmxPrt的项目为ad_pmsm（MaxwellFile22KB），Maxwell中的项目为ad_pmsm_fem.pjt。

2、电机额定运行时的瞬态场分析与计算

2.1SetupBoundaries/source（重点考虑SourceSetup）

A_phase绕组源的设置：

（1）选择A相绕组；

（2）使用[Assign]|[Source]|[Solid]；

（3）指定[Solid]为Voltage，[Name]改为A_Phase；

（4）选择[Options]，将源的形式[Constant]改为[Function]；

（5）选择[Function]；

（6）选择[Add]，在函数输入框“=”的左边输入U_Phase_A，“=”的右边输入«SkipRecordIf...»

（显然，B相应为：

«SkipRecordIf...»，C相应为«SkipRecordIf...»）

（7）指定[Done]回到2DBoundary/SourceManager

（8）在[Value]框内输入U_Phase_A；

（9）选择[Strand]；

（10）选择[Winding]，出现[WindingSetup]

指定[PhA]为[Positive]，[PhReA]为[Negative]；

在[Resistance]框内输入相绕组电阻15.42Ω，在[Inductance]框内输入绕组端部漏感0.00112H（在RMxPrt中有该值的输出结果）；

在[Totalturnsasseenfromterminal]框内输入每相串联匝数684；

在[NumberofParallelBranches]输入并联支路数1；

选择[OK]退回2DBoundary/SourceManager

（11）指定[Assign]------同样给出A_phase、B_phase绕组源的设置

（12）选择[File]|[Save]与[File]|[Exit]，保存并退出边界条件编辑器

2.2SetupSolution

选择[SetupSolution]|[Options]

（1）选择[ManualMesh…]（进行自定义剖分，略）；

在进行完ManualMesh后必需的一步是Mesh/LineMatch，选择主、从边界的边，toensurethatthemeshingpointswillmatchattheirmatchingboundaries.Iftheydonnot,youwillreceiveanerrormessageaboutamissingtranscriptfileduringthenormalsolution.

（2）在[SolberChoice]选择中，选Direct

Forproblemwherealloftheboundariesarewelldefined,thedirectsolveristhebestchoice

（3）Transientanalysis

i、Solution:

Startfromtimezero

在开始时，还没有任何解，因此只能选择Startfromtimezero

如果对这个问题已有解，可以选择ContinuePreviousSolution。

问题设置可以以任何方式改变（除了结构变化），求解从前解结果开始进行。

比如初解的结果终止计算时间为0.2s，则在调整问题设置时终止计算时间变为0.4s，并且选择Startfromtimezero，则计算从前面的0.2s计算结果开始。

ii、TimeStep

TimeStep的大小可以根据一个电机齿距范围内求解点数来确定。

假定电机的转速为375rpm，电机槽数为36，电机一个定子齿距的求解点为10个，则TimeStep的确定如下：

«SkipRecordIf...»

1个齿距对应的时间为0.16/36=0.004444s；

TimeStep=0.004444s/10=0.000444s。

最后确定TimeStep为0.0004s

iii、StopTime

该值关系不大，可以从小值开始，如果电机还没有达到稳定，则可以增大StopTime，电机的求解可以从前面解的结果开始进行。

iv、ModelDepth=105mm

电机的轴向铁心长度。

注意用2D瞬态场求解时，没有也无法考虑电机的斜槽。

v、SymmetryMultiplier=4

整个电机是求解区域的倍数。

缩小求解区域可以降低求解时间。

2.3SetupSolution

选择[SetupSolution]|[MotionSetup]

（1）从[Object]列表中选择Band，选择[SetBand]

（2）选择[MechanicalSetup]

i）InitialAngularVelocity:

375

给电机的实际运行转速。

如果计算额定转速时的状态，则给额定转速值

ii）MomentofInertia:

0.0012

给电机的转动惯量。

这一惯量值在RMxPrt中已计算出；实际上电机的稳态性能与转动惯量没有关系，但在2D瞬态场计算时，如果这一惯量太大，可能导致计算结果发散。

因此该值一般比RmxPrt的计算值要小（实际计算值为0.009262）。

iii）Damping:

0.0454

由于风阻和其他机械损耗所导致的阻尼，很明显是一个经验值，为了比较路的设计计算结果，该值应该与RmxPrt中的给定值相同。

iv）LoadTorque:

-19

所要仿真的电机负载转矩，当然可以是额定输出转矩。

这一转矩值以负值形式给定。

2.4Solve|NominalProblem

进行求解。

进行求解时，可以随时通过refresh观察求解结果，主要观察求解是否收敛。

求解结果见本窗口中[Solutions]中的TransientDate，其中有各种曲线。

可以调整曲线下方的[Settings]，只看部分时间段曲线形状。

下面的两个图形时2D和RmxPrt得到的相反电动势波形。

可以看出，两者差别不大。

注意在2D计算中，没有考虑电机的斜槽。

另外，2D计算得到的电势是时间的函数，可以在2D的后处理中将横坐标由时间变为位置。

2.5PostProcess

PostPress/Transistantdate：

在其中可以得到Solve中的所有曲线结果，但在其中可以对这些结果进行分析和计算，其中包括前面的将横坐标变由时间便为位置。

2.5.1计算平均输出功率：

AverageOutputPower

在进行2D计算时，给定输出负载转矩和转速，因此电机的输出功率很容易计算，但是也可通过转矩曲线和转速曲线进行计算。

在EMpulse中，电机的功率Pout满足下式：

«SkipRecordIf...»

其中，FW，表示机械损耗，Pair_gap为气隙功率，由平均转矩（单位Nm）和转速（单位rad/second）相乘而得。

转速为375rpm=39.27rad/s。

以下给出平均转矩的计算方法。

1）ChoosePlot/Open,Selecttorque.dat,chooseOK;

2）ChooseTools/CalulatortoaccesstheSignalCalculator;

iii）SelectTorque.dat,andchooseCopytocopythetorqueplotintotopofstackofcalculator.

4）ChooseSample,anddefinethefollowingparameters:

✓Sample:

Time

✓Specifyby:

Size

✓Start:

0.2

✓Stop:

0.3

✓Size:

1000

5）ChooseOKtoacceptthevaluesandreturntothesignalcalculator.

6）Enter39.27intheName/Constantfield（给定速度）

7）Choose*tomultiplybythespeedinradianspersecond;

8）Choosetheintegratebutton（计算在一段时间内转矩之和）

9）Enter0.1intheName/Constantfield（给计算平均值的时间段：

Stoptime-Starttime=0.1s）

10）Choose“/”tocalculatetheaverage;

11）ChoosePreview.Thelastnumberinthisplotistheaveragevalue（曲线的最后一点就是所求的平均转矩）；

12）Choosemax,（给出所求的平均转矩）：

816.141Nm

因此输出功率为：

Pout=816.141-70=746.141；由于给定转矩为19Nm，而不是要求的19.1，因此输出功率不是750W。

2.5.2计算相电流有效值：

电流有效值的数值计算公式：

«SkipRecordIf...»

1）ChoosePlot/Open,Selectcurrent.dat,chooseOK;

2）ChooseTools/CalulatortoaccesstheSignalCalculator;

iii）Selectcurrent..dat:

A_phase,andchooseCopytocopyitintotopofstackofcalculator.

4）ChooseSample,anddefinethefollowingparameters:

✓Sample:

Time

✓Specifyby:

Size

✓Start:

0.2

✓Stop:

0.3

✓Size:

1000

5）ChooseOKtoacceptthevaluesandreturntothesignalcalculator.

6）ChoosePushtoduplicatetheentry;

7）Choose*tomultiplythevalueintopofthestackbyitself（计算i2）;

8）Choosetheintegratebutton（计算在一段时间内i2之和）;

9）Enter0.1intheName/Constantfield（给计算平均值的时间段：

Stoptime-Starttime=0.1s）

10）Choose“/”tocalculatetheaverage;

11）Choose«SkipRecordIf...»（进行开方运算）（这一步可以在最后一步进行，计算结果差别不大）；

12）ChoosePreview.Thelastnumberinthisplotistheaveragevalue（曲线的最后一点就是所求的电流有效值）；

13）Choosemax（得所要求的电流有效值）：

1.568

相电流的EMpulse计算值为1.568A，RmxPrt的计算结果为1.539A，两者差别很小

同样可以计算外加相电压有效值，外加相电压是标准的正弦波，因此该值就是«SkipRecordIf...»V。

2.5.3计算输入电功率，由此可以计算效率

一相输入平均功率的数值计算公式为：

«SkipRecordIf...»

1）ChoosePlot/Open,Selectcurrent.dat、v_src.dat（外加三相项电压）chooseOK;

2）ChooseTools/CalulatortoaccesstheSignalCalculator;

iii）Selectcurrent..dat:

A_phase,andchooseCopytocopyitintotopofstackofcalculator.

4）ChooseSample,anddefinethefollowingparameters（将A相相电流离散化）:

✓Sample:

Time

✓Specifyby:

Size

✓Start:

0.2

✓Stop:

0.3

✓Size:

1000

5）ChooseOKtoacceptthevaluesandreturntothesignalcalculator.

（此时CalculatorStack中的A相电流表示为：

Sample（Current.dat_phase））

6）将CalculatorStack中的Sample（Current.dat_phase）Load到Loadedsignals中；

7）将CalculatorStack中的Sample（Current.dat_phase）Clrs（删除）；

8）Selectv_src..dat:

A_phase,andchooseCopytocopyitintotopofstackofcalculator.

9）ChooseSample,anddefinethefollowingparameters（将A相相电压离散化）:

✓Sample:

Time

✓Specifyby:

Size

✓Start:

0.2

✓Stop:

0.3

✓Size:

1000

10）ChooseOKtoacceptthevaluesandreturntothesignalcalculator.

11）选中Loadedsignals中的Sample（Current.dat_phase），并将其Copy到CalculatorStack

12）Choose“*”，将上述电压和电流相乘；

13）Choose«SkipRecordIf...»（积分），将各成绩量相加；（Choosetheintegratebutton）

14）Enter0.1intheName/Constantfield（给计算平均值的时间段：

Stoptime-Starttime=0.1s）

15）Choose“/”tocalculatetheaverage;

16）Choose«SkipRecordIf...»（进行开方运算）（这一步可以在最后一步进行，计算结果差别不大）；

17）ChoosePreview.Thelastnumberinthisplotistheaveragevalue（曲线的最后一点就是所求的A相输入功率）；

18）Choosemax（得所要求的A相输入功率）：

306.223W

同样可得B相、C相输入功率，因此三相输入功率为：

918.669W，RmxPrt中计算得到的输入功率为：

942.967W，相差不多。

显然场的计算值较小，这是由于在场的计算中没有考虑铁耗，如果考虑铁耗（RmxPrt中的铁耗为13.36W），则两者差别更小。

有上的结算结果可以得到EMpulse中计算得到的运行效率为746.141/918.669*100%=81.2%，RmxPrt计算的效率为79.54，相差不大。

2.6PostProcess

PostProcess/field：

在PostProcessSavedFields中选择任一pjt，选择PostProcess，进入2DPostProcessor。

2.6.1齿部磁密分布和磁密平均值计算

2.6.1.1齿部磁密分布

Ø定义齿部曲线（定义一条包括所有齿的圆弧，以得到电机的最高齿磁密，这一磁密定义为齿磁密）

✧Geometry/Creat/Arc

✧输入弧的原点坐标（x，y）=（0，0），输入弧半径Rad=60，输入弧的张角Ang=90︒,选择Enter

✧在Radius中给出弧的半径60，则自动给出StartPoint为（60，0），可以调整改起始点的坐标，选择Enter。

✧在NumPoints中给出圆弧点的个数2000；不选Clockwise，表示圆弧从前面的起点开始不是顺时针（是逆时针）；在Angle中给出圆弧角度90︒；Name改为Tooth；选择Enter。

注意：

该路径是一圆弧，即得到的齿部磁密分布是沿圆弧的磁密分布，与实际上的齿部磁密分布并不相同，实际的齿部磁密分布应该是沿弦的分布。

Ø绘制tooth中的磁密分布

✧Data/Calculator，进入FieldCalculator：

：

out0窗口

✧QTY/B：

定义关于磁密B的后续操作

✧Geom/Line：

选择tooth，沿线定义B

✧UnitVec/2D-Normal：

定义发向磁密

✧Dot

✧Geom/Line

✧2DPlot

（横坐标为机械角度、纵坐标为T）

可以看出，齿磁密最大值为1.46T，而RmxPrt计算得到的空载时的齿磁密为1.635T，可以用EMpulse计算电机空载时的磁密。

对齿磁密来说，只计算径向磁密即可，切向磁密很低。

2.6.1.2齿部磁密平均值计算

应首先定义积分路径，然后根据下式计算这一路径处的平均磁密，计算磁密幅值沿路径的积分，再除以路径的长度，就是平均磁密。

«SkipRecordIf...»

由于积分变量的单位同分母的单位一致，因此在此没有单位的变化问题，同时可以只计算切向磁密或径向磁密的平均值（见后面的例子）。

i）定义齿

定义齿部路径ab，该路径名字为Line1，如下图所示

ii）计算该齿部的平均磁密

ØData/Calculator到fieldcalculato：

：

out0窗口

ØQty/B，选择B矢量，Register中结果如下图

ØMag，求B矢量的大小，Register中结果如下图

ØGeom/Line，选择B的积分线，积分线为Line1。

Register中结果如下图

Ø

（Integral），对B幅值沿Line1进行积分，Register中结果如下图

（以上计算出上面计算式中的分子，下面计算分母）

ØNum/Scalar，给出积分函数1.0，Register中结果如下图

ØGeom/Line，选择积分函数1.0的积分路径，积分线为Line1。

Register中结果如下图

Ø

（Integral），对1.0沿Line1进行积分。

Register中结果如下图

Ø

（divide），分子与分母相除。

Register中结果如下图

ØEval，显示计算结果。

Register中结果如下图

计算得到平均磁密为1.3795T。

计算Line1中法向磁密平均值

ØQty/B，选择B矢量；

ØGeom/Line。

选择积分线Line1，目的求单位法向矢量；

ØUnitVec/2D_normal，求Line1的单位法向矢量；

ØDot。

矢量B与单位法向矢量点乘（标量积），得到B的法向分量，该值已经是标量，可以再计算其绝对值。

ØGeom/Line。

选择积分线Line1

Ø

（Integral），对B的法向分量沿Line1进行积分

ØNum/Scalar，给出积分函数1.0；

ØGeom/Line，选择积分函数1.0的积分路径，积分线为Line1。

Ø

（Integral），对1.0沿Line1进行积分。

Ø

（divide），分子与分母相除。

ØEval，显示计算结果；

法向磁密平均值为：

1.378T。

同前面计算的总磁密平均值1.3795T向差无几，说明齿中磁密主要是法向磁密。

实际上计算得到的切向磁密只有0.02T。

2.6.1.3沿齿弧磁密分布和沿齿磁密分布的差异

下图是分析研齿弦磁密分布和沿各齿磁密分布的示意图。

沿弧磁密分布的示意图如下图，图中给出的是径向磁密和切向磁密，可以看出切向磁密可以忽略不计，每齿中磁密分布是均匀的。

各齿中磁密分布：

B1=-1.17T；B2=-1.1T，B3=0.775T，B4=1.38T，B5=-0.375T，B6=1.46T。

图沿齿弧的磁密分布（只给出法向磁密合切向磁密）

通过计算各齿沿弦的法向平均磁密分别为：

B1=-1.17T；B2=-1.1075T，B3=0.7723T，B4=1.379T，B5=-0.372T，B6=1.46T。

与沿弧计算的磁密几乎相同。

因此为了计算方面，可以直接定义圆弧，画出沿圆弧的法向磁密分