Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比教学资料.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比-Ansoft瞬态磁场计算（未考虑外电路）总结整理：2008-6-4于德国Kassel大学目录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|Options2.3SetupSolution选择SetupSolution|MotionSetup2.4Solve|NominalProblem2.5PostProcessPostPress/Transistantdate：2.5.1 计算平均输出功率：AverageOutputPower2.5.2 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2.6 PostProcessPostProcess/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|Options3.3SetupSolution选择SetupSolution|MotionSetup3.4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(7) （显然，B相应为：，C相应为）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15.42W，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；(11) 选择OK退回2DBoundary/SourceManager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（3） Forproblemwherealloftheboundariesarewelldefined,thedirectsolveristhebestchoiceTransientanalysisi、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、TimeStepTimeStep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：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0.0004siii、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MechanicalSetupi)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。2.5 PostProcessPostPress/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：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;3)SelectTorque.dat,andchooseCopytocopythetorqueplotintotopofstackofcalculator.4)ChooseSample,anddefinethefollowingparameters:ü Sample:Timeü Specifyby:Sizeü Start:0.2ü Stop:0.3ü Size:10005) 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)；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：1）ChoosePlot/Open,Selectcurrent.dat,chooseOK;2)ChooseTools/CalulatortoaccesstheSignalCalculator;3)Selectcurrent.dat:A_phase,andchooseCopytocopyitintotopofstackofcalculator.4)ChooseSample,anddefinethefollowingparameters:ü Sample:Timeü Specifyby:Sizeü Start:0.2ü Stop:0.3ü Size:10005）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（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：1）ChoosePlot/Open,Selectcurrent.dat、v_src.dat(外加三相项电压)chooseOK;2)ChooseTools/CalulatortoaccesstheSignalCalculator;3)Selectcurrent.dat:A_phase,andchooseCopytocopyitintotopofstackofcalculator.4)ChooseSample,anddefinethefollowingparameters（将A相相电流离散化）:ü Sample:Timeü Specifyby:Sizeü Start:0.2ü Stop:0.3ü Size:10005）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）:ü Sample:Timeü Specifyby:Sizeü Start:0.2ü Stop:0.3ü Size:100010）ChooseOKtoacceptthevaluesandreturntothesignalcalculator.11）选中Loadedsignals中的Sample(Current.dat_phase)，并将其Copy到CalculatorStack12）Choose“*”，将上述电压和电流相乘；13）Choose（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（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。2.6 PostProcessPostProcess/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）² 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² Data/Calculator，进入FieldCalculator：out0窗口² QTY/B：定义关于磁密B的后续操作² Geom/Line：选择tooth，沿线定义B² UnitVec/2D-Normal：定义发向磁密² Dot² Geom/Line2DPlot（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。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Data/Calculator到fieldcalculato：out0窗口Qty/B，选择B矢量，Register中结果如下图Mag，求B矢量的大小，Register中结果如下图Geom/Line，选择B的积分线，积分线为Line1。Register中结果如下图（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）Num/Scalar，给出积分函数1.0，Register中结果如下图Geom/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（Integral），对1.0沿Line1进行积分。Register中结果如下图（divide），分子与分母相除。Register中结果如下图Eval，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Ø Qty/B，选择B矢量；Ø Geom/Line。选择积分线Line1，目的求单位法向矢量；Ø UnitVec/2D_normal，求Line1的单位法向矢量；Ø Dot。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。Ø Geom/Line。选择积分线Line1Ø （Integral），对B的法向分量沿Line1进行积分Ø Num/Scalar，给出积分函数1.0；Ø Geom/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。Eval，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布，找出最高磁密齿，该齿磁密的平均值就是用瞬态场计算得到的齿部磁密。值得注意的是，用瞬态场计算得到不同转子位置时的定子齿部磁密，其最大值都是相同的。给定点的坐标，即可以用（X，Y），又可以用（Rad，Ang）。2.6.2 定子轭部磁密分布和磁密平均值由于不知道那个轭部磁密最大，因此需要计算多个轭部磁密，如下图所示。各轭部段的外点直径为155，内点直径为31.92，各段的角度分别为1（85°）、2（75°）、3（65°）、4（55°）、5（45°）。I）1段轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.062T）II）2段轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.686T）III）3段轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.232T）IV）4段轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.645T）v）5段轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.407T）结论：轭部最高平均磁密为0.686T，RmxPrt计算得到的额部空载磁密为0.743T2.6.3 定子轭部磁密分布和磁密平均值比较下图所示1、2、3、4四个转子轭部磁密的分布和平均值。可以先找出轭部1所对应的两点坐标，2、3、4只要将坐标分别转动22.5°、45°、67.5°即可。I）1段转子轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.726T）II）2段转子轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.726T）III）3段转子轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.689T）IV）4段转子轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.709T）结论：转子轭部磁密主要是法向磁密，与位置关系不大，计算得到的最高转子轭部平均磁密为0.726T，RmxPrt计算得到的空载转子轭部磁密为0.7561T。2.6.4 气隙磁密分布和磁密最大值计算平均气隙处的磁密分布和磁密最大值。磁密最大值为0.9T，RmxPrt得到的磁密最大值为0.837T。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）将前述负载运行时的电压源都赋为0V，各相绕组电阻都变为无穷大即可，其它不变。3.2SetupSolution选择SetupSolution|Options同前面的额定负载运行设置3.3SetupSolution选择SetupSolution|MotionSetupØ 从Object列表中选择Band，选择SetBandØ 选择MechanicalSetupØ 不选ConsiderMechnicalSetupConstantAngularVelocity=375(给定运行转速)3.4计算结果3.4.1空载电势与前面额定运行时计算的空载电势完全相同（BackVoltage），因为转速相同；3.4.2齿部磁密计算可以看出空载和负载时齿部磁密的最大值相差不大，但显然空载和负载各齿中磁密的分布是不相同的。气隙磁密可以看出空载负载气隙磁密分布有一定的重合性。用空载磁密代替负载磁密问题不大。4、考虑铁耗的计算结果4.1铁耗计算设置在前面的额定运行和空载运行分析时，没有考虑电机的铁耗，下面考虑电机的铁耗分析电机的额定运行，在输出转矩和转速不变时，比较考虑和不考虑铁耗时电机的输入功率和效率。在涡流场和瞬态场中，可以计算铁耗，在FEM的铁耗根据磁路的方法进行，并用公式计算，可以根据已知的铁耗系数不同，分成两种方法，即已知磁滞损耗系数和涡流系数时用Electricalsteel，在已知总的铁耗系数时采用Powerferrite。通常给出的是铁耗系数，因此一般采用Powerferrite。在其他同额定负载运行设置完全相同的情况下，设置SetupExecutiveParameters/CorelossØ 选择Object中的定子选择CoputeCoreLossonObject/PowerFerritePowerferritecorelossisbasedonthefollowingequation（单位重量的铁耗）Where:Cmisconstantvaluedeterminedbyexperiment.fisthefrequency.（Hz）Bmaxisthemaximumamplitudeofthefluxdensity(T)电机设计中给出的铁耗计算公式为：其中，GFe钢的重量；ka经验系数，把由于钢片加工、磁通密度分布的不均匀、磁通密度随时间不按正弦规律变化以及旋转磁化与交变磁化之间的损耗差异等而引起的损耗增加都估计在内。pFe相当于前面FEM中的p，但表达式为：比较Fem中单位重量铁耗公式与上式，可以看出其中，p10/50当B=1T、f=50Hz时，钢单位重量内的铁耗，其值可按硅钢片型号，从下表查取。钢的种类P10/50相当于国产钢号低含硅量硅钢片2.80D12中含硅量硅钢片2.2D22高含硅量硅钢片2.0D23经计算，Cm=0.0136Ø 赋值如上图所示Ø Exit/Save4.2额定负载时考虑与不考虑铁耗时的比较图不计铁耗时相电流图计铁耗时相电流不计铁耗时电流大小为1.568A，计铁耗时相电流为：1.568A，电流不变三相功率：不计铁耗时为：918.669W，计铁耗时为918.294W，两者相差不大。4.3负载很小时的比较在负载转矩只有1Nm时，其他同额定运行相同，比较考虑和不考虑铁耗时相电流大小和输入功率大小，比较可以看出，考虑铁耗和不考虑铁耗，对电机的计算没有影响。考虑铁耗时图气隙转矩图相电流（有效值为：1.067A，输入功率66*3W）图铁耗不考虑铁耗时图气隙转矩图相电流（有效值为：1.0686A，输入功率66*3W）5、Maxwell与RmxPrt计算结果比较5.1磁密及额定值比较Maxwell11（空载负载差不多，以负载为主）RmxPrt（空载）气隙磁密最大值（T）0.90.837齿部磁密（T）1.461.635定子额部磁密（T）0.6860.743转子轭部磁密（T）0.7260.756定子电流（A）1.5681.539额定运行效率（%）81.279.545.2额定转速时永磁相电势比较图Maxwell计算结果图RmxPrt计算结果两者计算结果极为相近，不过在RmxPrt计算中，考虑到了电机的斜槽，而Maxwell中无法考虑斜槽。5.3气隙磁密分布图Maxwell计算结果图RmxPrt计算结果6、其他心得(1) 在SetupSolution/MotionSetup中的MechanicalSetup中，选择ConsiderMechanicaltransient后，给定的转速（InitialAngularVelocity）值没有意义，只决定于同步速，因此要改变运行转速，只有改变电源电压的频率。但不选ConsiderMechanicaltransient时，给定的ConstantAngularVelocity有意义。(2) 在SourceSetup的定义Source中，选定Assign/Source/Solid，有时计算结果不正确，但将Solid改为Strand后就行。尽管PostProcess可以进入出现如下错误，但按确定后,可以进入2DPostProcess，然后可以File/Open打开sob文件，可以在Plot，但不能用Data/calculator-