Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比.pdf

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2.1 Setup Boundaries/source（重点考虑 Source Setup）2.2 Setup Solution 选择Setup Solution|Options 2.3 Setup Solution 选择Setup Solution|Motion Setup 2.4 Solve|Nominal Problem 2.5 Post Process Post Press/Transistant date：2.5.1计算平均输出功率：Average Output Power 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2.6 Post Process Post Process/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3.1 Setup Boundaries/source（重点考虑 Source Setup）3.2 Setup Solution 选择Setup Solution|Options3.3 Setup Solution 选择Setup Solution|Motion Setup 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MAXWELL 11中。RmxPrt 的项目为ad_pmsm(Maxwell File 22KB)，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2.1 Setup Boundaries/source（重点考虑 Source Setup）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3 50*(2/3)*si n(3 60*5 0sq r tT（显然，B相 应 为：3 5 0*(2/3)*s i n(3 6 0s q r tT，C相 应 为3 5 0*(2/3)*s i n(3 6 0s q r tT）(7)指定 Done回到 2D Boundary/Source Manager(8)在Value框内输入U_Phase_A；(9)选择 Strand；(10)选择 Winding，出现 Winding Setup 指定 PhA 为Positive，PhReA 为Negative；在 Resistance框内输入相绕组电阻15.42，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Total turns as seen from terminal 框内输入每相串联匝数684；在Number of Parallel Branches 输入并联支路数1；选择 OK 退回 2D Boundary/Source Manager(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2.2 Setup Solution 选择Setup Solution|Options（1）选择 Manual Mesh(进行自定义剖分，略)；在进行完Manual Mesh 后必需的一步是Mesh/Line Match，选择主、从边界的边，to ensure that the meshing points will match at their matching boundaries.If they don not,you will receive an error message about a missing transcript file during the normal solution.（2）在Solber Choice 选择中，选Direct For problem where all of the boundaries are well defined,the direct solver is the best choice（3）Transient analysis i、Solution:Start from time zero 在开始时，还没有任何解，因此只能选择Start from time zero 如果对这个问题已有解，可以选择Continue Previous Solution。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Start from time zero，则计算从前面的 0.2s 计算结果开始。ii、Time Step Time Step 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 Time Step 的确定如下：375375/60s1/0.16rpmrevrevs1 个齿距对应的时间为0.16/36=0.004444s；Time Step=0.004444s/10=0.000444s。最后确定 Time Step 为 0.0004s iii、Stop Time 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Stop Time，电机的求解可以从前面解的结果开始进行。iv、Model Depth=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、Symmetry Multiplier=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。2.3 Setup Solution 选择Setup Solution|Motion Setup(1)从Object 列表中选择Band，选择 Set Band(2)选择 Mechanical Setup i)Initial Angular Velocity: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)Moment of Inertia: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)Load Torque:-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。2.4 Solve|Nominal Problem 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 Transient Date，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 Post Process Post Press/Transistant date：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：Average Output Power 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：_outairgapPPFW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）Choose Plot/Open,Select torque.dat,choose OK;2)Choose Tools/Calulator to access the Signal Calculator;3)Select Torque.dat,and choose Copy to copy the torque plot into top of stack of calculator.4)Choose Sample,and define the following parameters:Sample:Time Specify by:Size Start:0.2 Stop:0.3 Size:1000 5)Choose OK to accept the values and return to the signal calculator.6)Enter 39.27 in the Name/Constant field(给定速度)7)Choose*to multiply by the speed in radians per second;8)Choose the integrate button（计算在一段时间内转矩之和）9)Enter 0.1 in the Name/Constant field(给计算平均值的时间段：Stop time-Start time=0.1s)10)Choose“/”to calculate the average;11)Choose Preview.The last number in this plot is the average value(曲线的最后一点就是所求的平均转矩)；12)Choose max,(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：211()NIinN1）Choose Plot/Open,Select current.dat,choose OK;2)Choose Tools/Calulator to access the Signal Calculator;3)Select current.dat:A_phase,and choose Copy to copy it into top of stack of calculator.4)Choose Sample,and define the following parameters:Sample:Time Specify by:Size Start:0.2 Stop:0.3 Size:1000 5）Choose OK to accept the values and return to the signal calculator.6）Choose Push to duplicate the entry;7）Choose*to multiply the value in top of the stack by itself(计算 i2);8）Choose the integrate button（计算在一段时间内i2之和）;9）Enter 0.1 in the Name/Constant field(给计算平均值的时间段：Stop time-Start time=0.1s)10）Choose“/”to calculate the average;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）Choose Preview.The last number in this plot is the average value(曲线的最后一点就是所求的电流有效值)；13）Choose max(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350 1/3V。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：11()()NAPu n i nN1）Choose Plot/Open,Select current.dat、v_src.dat(外加三相项电压)choose OK;2)Choose Tools/Calulator to access the Signal Calculator;3)Select current.dat:A_phase,and choose Copy to copy it into top of stack of calculator.4)Choose Sample,and define the following parameters（将 A 相相电流离散化）:Sample:Time Specify by:Size Start:0.2 Stop:0.3 Size:1000 5）Choose OK to accept the values and return to the signal calculator.(此时 Calculator Stack 中的 A 相电流表示为：Sample(Current.dat_phase)6）将 Calculator Stack 中的 Sample(Current.dat_phase)Load 到 Loaded signals 中；7）将 Calculator Stack 中的 Sample(Current.dat_phase)Clrs(删除)；8）Select v_src.dat:A_phase,and choose Copy to copy it into top of stack of calculator.9)Choose Sample,and define the following parameters（将 A 相相电压离散化）:Sample:Time Specify by:Size Start:0.2 Stop:0.3 Size:1000 10）Choose OK to accept the values and return to the signal calculator.11）选中 Loaded signals 中的 Sample(Current.dat_phase)，并将其Copy到 Calculator Stack 12）Choose“*”，将上述电压和电流相乘；13）Choose（积分），将各成绩量相加；（Choose the integrate button）14）Enter 0.1 in the Name/Constant field(给计算平均值的时间段：Stop time-Start time=0.1s)15）Choose“/”to calculate the average;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）Choose Preview.The last number in this plot is the average value(曲线的最后一点就是所求的 A 相输入功率)；18）Choose max(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 Post Process Post Process/field：在 Post Process Saved Fields 中选择任一pjt，选择 Post Process，进入 2D Post Processor。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Start Point 为（60，0），可以调整改起始点的坐标，选择Enter。在 Num Points 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。绘制 tooth中的磁密分布Data/Calculator，进入 Field Calculator：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BUnit Vec/2D-Normal：定义发向磁密Dot Geom/Line 2D Plot（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。(1.0)avgB dlBdl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 field calculato：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Qty/B，选择 B 矢量；Geom/Line。选择积分线Line1，目的求单位法向矢量；Unit Vec/2D_normal，求 Line1 的单位法向矢量；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。Geom/Line。选择积分线Line1（Integral），对 B 的法向分量沿Line1 进行积分Num/Scalar，给出积分函数1.0；Geom/Line，选择积分函数1.0 的积分路径，积分线为Line1。（Integral），对 1.0 沿 Line1 进行积分。（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：0.232 T）IV）4 段轭部磁密分布及平均磁密（合成磁密的平均值为：0.645 T）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0.743T 2.6.3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：0.726 T）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：0.726 T）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：0.689 T）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3.1 Setup Boundaries/source（重点考虑 Source Setup）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。3.2 Setup Solution 选择Setup Solution|Options 同前面的额定负载运行设置3.3 Setup Solution 选择Setup Solution|Motion Setup 从Object 列表中选择Band，选择 Set Band 选择 Mechanical Setup 不选 Consider Mechnical SetupConstant Angular V elocity=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（Back Voltage），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。3.4.3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Electrical steel，在已知总的铁耗系数时采用Power ferrite。通常给出的是铁耗系数，因此一般采用 Power ferrite。在其他同额定负载运行设置完全相同的情况下，设置Setup Executive Parameters/Core loss 选择 Object 中的定子选择 Copute Core Loss on Object/Power Ferrite Power ferrite core loss is based on the following equation（单位重量的铁耗）maxxympC f BWhere:Cm is constant value determined by experiment.f is the frequency.（Hz）Bmax is the maximum amplitude of the flux density(T)电机设计中给出的铁耗计算公式为：FeaheFepk p G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：21.31.31.3210/5010/50max1()()5050hefppBpfB比较 Fem 中单位重量铁耗公式与上式，可以看出1.310/501(),1.3,250mCpxy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2.80 D12 中含硅量硅钢片2.2 D22 高含硅量硅钢片2.0 D23 经计算，Cm=0.0136 赋值如上图所示Exit/Save 4.2 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。4.3.1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4.3.2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）0.9 0.837 齿部磁密（T）1.46 1.635 定子额部磁密（T）0.686 0.743 转子轭部磁密（T）0.726 0.756 定子电流（A）1.568 1.539 额定运行效率（%）81.2 79.54 5.2 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 Setup Solution/Motion Setup 中的 Mechanical Setup 中，选择Consider Mechanical transient 后，给定的转速（Initial Angular Velocity）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 Consider Mechanical transient 时，给定的Constant Angular Velocity 有意义。(2)在 Source Setup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。(3)尽管 Post Process 可以进入出现如下错误，但按确定后,可以进入2D Post Process，然后可以 File/Open 打开 sob 文件，可以在Plot，但不能用Data/calculator