MotorSolve使用指导.doc

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1、.MotorSolve使用指导海基科技目 录1 MotorSolve界面31.1模板中的参数31.2命令栏31.3设计栏31.3.1总体设计31.3.2转子设计31.3.3定子设计141.3.4绕组设计221.4结果栏251.4.1 Cogging torque齿槽转矩251.4.2 Transient analysis瞬态分析261.4.3 PWM analysis pwm分析281.4.4 D-Q analysis D-Q分析301.4.5 Lumped parameters 集总参数311.4.6 Air gap flux气隙磁通321.4.7 Instantaneous field 瞬

2、时场图显示331.4.8 Time-averaged field平均场图显示331.4.9 Field line chart场图直线采样341.4.10 Field arc chart场图圆弧采样341.5材料351.5.1 材料属性显示351.5.2 材料定义窗口361.6 显示区域371.6.1 模型显示371.6.2 场图显示371.6.3 曲线显示391.6.4 总结对比401.6.5 形成报告402 内置横向永磁体直流无刷电机设计412.1 总体设计412.2 转子设计422.3 定子设计422.4 绕组设计432.5 齿槽转矩计算432.6 Ld、Lq计算441 MotorSolv

3、e界面主要包括电机管理面板、参数输入面板以及显示窗口。电机管理面板主要包括命令栏、设计栏、结果栏以及材料栏。1.1模板中的参数定子和转子模板都是采用参数化，以方便用户灵活的使用。这样就产生了许多额外的参数来描述模型的几何尺寸。例如，定子模板中就有外直径、内直径、槽深以及铁轭深四个参数，然而我们只要其中三个参数就可以描述定子尺寸，改变三个参数中的任何一个，第四个参数就会相应得做出变化。另外，如果所有的参数都被赋值，法则是最近做出更改的参数具有优先权。1、 有时候当参数发生变化时，会出现错误提示框，表示不能收敛或者违反了规则。2、 转子直径的变化会影响定子内径的变化，反之也一样，这是为了保持一定的

4、气隙高度。3、 改变电机的外直径将会放大或者缩小整个电机。1.2命令栏包括新建一个工程、打开、保存、另存、退出以及帮助等。1.3设计栏设计栏包括总体设计、转子设计、定子设计以及线圈绕接方式设计四大部分。1.3.1总体设计设置电机主要参数，电机定子和转子的类型等。1、 名称2、 电机相数3、 电机极数4、 电机槽数5、 电机外直径6、 气隙高度7、 叠片长度（stack length）：电机纵向长度8、 转子类型9、 定子类型10、 单位设置11、 显示平滑设置1.3.2转子设计转子共包括11种类型，下面对其进行详细介绍： 1、面置径向冲磁永磁体（Surface mounted with rad

5、ial magnets）主要包括以下几个参数：A、 core 核心参数，指定转子铁心的高度；B、 diameters直径，指定转子的内径和外径；C、 fillets切片，magnet tip radius：永磁体外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；D、 general大体参数Skew斜槽、skew angle 斜槽角度、number of magnets per pole每极下磁铁个数、temperature温度、rotor material转子材料、magnet material永磁体材料。E、 magnet 永磁体参数magnet angle 永磁体圆弧的角度：Magnet gap angl

6、e 两块永磁体之间气隙的角度：magnet thickness 永磁体厚度： 2、面置平行冲磁永磁体（Surface mounted with parallel magnets）主要包括以下几个参数：A、core 核心参数，指定转子铁心的高度；B、diameters直径，指定转子的内径和外径；C、fillets切片，magnet tip radius：永磁体外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；D、general大体参数 Skew斜槽、skew angle 斜槽角度、number of magnets per pole每极下磁铁个数、temperature温度、rotor material转子材料

7、、magnet material永磁体材料。E、magnet 永磁体参数magnet angle 永磁体圆弧的角度、Magnet gap angle 两块永磁体之间气隙的角度、magnet thickness 永磁体厚度、magnet width 永磁体宽度： 3、内置永磁体辐条式（Spoke with embedded magnets）主要包括以下参数：A、core 核心参数core bridge核心桥宽，具体如下图：Mid-core hub thickness核中心厚度：Mid-magnet hub thickness永磁体中心处核厚度： Slit depth 裂缝深度：Slit inse

8、t bottom裂缝底部深度：Slit inset top裂缝顶部深度：Slit width裂缝宽度：B、diameters直径，指定转子的内径和外径；C、fillets切片，Core inset radius：放置永磁体的槽外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；D、general大体参数 Skew斜槽、skew angle 斜槽角度、number of magnets per pole每极下磁铁个数、temperature温度、rotor material转子材料、magnet material永磁体材料。E、magnet 永磁体参数Magnet inner gap永磁体与hub的距离：Magn

9、et outer gap 永磁体与core brige之间的距离：magnet thickness 永磁体厚度；magnet width 永磁体宽度。 4、非内置永磁体辐条式（Spoke with non-embedded magnets）主要参数：A、core 核心参数 core bridge核心桥宽、Mid-core hub thickness核中心厚度、Mid-magnet hub thickness永磁体中心处核厚度、Slit depth 裂缝深度、Slit inset bottom裂缝底部深度、Slit inset top裂缝顶部深度、Slit width裂缝宽度；B、diamete

10、rs直径，指定转子的内径和外径；C、fillets切片，Core tip radius：放置永磁体的槽外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；D、general大体参数 Skew斜槽、skew angle 斜槽角度、number of magnets per pole每极下磁铁个数、temperature温度、rotor material转子材料、magnet material永磁体材料。E、magnet 永磁体参数Magnet inset永磁体与hub的距离、magnet thickness 永磁体厚度、magnet width 永磁体宽度。 5、非内置面置拱形永磁体式（Bread-loaf wi

11、th non-embedded magnets） 6、内置横向永磁体式（IPM with lateral magnets） 7、内置曲形永磁体式（IPM with curved magnets） 8、内置插入横向永磁体式（IPM with inset lateral magnets） 9、内置倒角栅栏永磁体式（IPM with angled barrier） 10、内置V型栅栏永磁体式（IPM with V-shaped barrier） 11、内置可变方向永磁体式（IPM with variable orientation magnets）1.3.3定子设计 根据定子槽形，定子包括9种类型。

12、 下面对其进行详细说明：1、 square方槽主要参数如下：A、Diameters直径参数back iron depth后部铁轭深度：inner diameter内径：outer diameter外径：B、Fillets切片 Bottom shaft radius槽底轴半径： Tooth tang radius齿顶点半径：Top shaft radius槽底部角半径（圆弧化）：C、general大体参数 Skew斜槽、skew angle 斜槽角度、number of magnets per pole每极下磁铁个数、temperature温度、rotor material转子材料、coil m

13、aterial线圈材料。D、定子齿参数Bifurcation radius齿上分槽半径：Shank length齿骨长度：Slot area槽面积；Slot depth槽深：Tooth gap angle两齿之间的角度：Tooth gap width两齿之间距离：Tooth tang angle：槽底与齿靴斜面夹角：Tooth tang depth齿靴高度：Tooth width齿宽： 2、round圆槽 3、Parallel Tooth平行定子齿4、General Square普通方槽（顶窄底宽，与方槽相反）5、General Round普通圆槽6、Parallel Square平行方槽7、

14、Parallel Round平行圆槽8、Parallel平行槽9、Slotless无槽1.3.4绕组设计所谓“绕组”，是指一些按一定的规律连接起来的线圈的总和。绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生力或转矩驱使转子带动外负载一起转动（其大小和方向可由左手定则确定），从而决定了电动机的运动过程。转子磁钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又影响电动机内电动势的平衡关系。可见通电绕组和磁场之间的相互作用，是电动机内部机电能量转换的主要媒介。绕组的具体结构和连接方式对机电能量转换过程、感应电动势、电路参数和电磁转矩等基本问题有重要的作用。在直流无刷电机中

15、，绕组又分为单层绕组和双层绕组。每个槽内放置一个绕组边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个绕组边时，且分为上、下层时，称为双层绕组。双层绕组一般都采用短距绕组，其节距y在0.8左右，以使其5次和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节省材料（因为绕组的端部接线缩短了）。主要参数如下：1、 general大体设计参数A、Layout method绕接方法：分为自动和手动两种方法；B、End winding resistance每相绕组端部电阻（单位欧姆）；C、End winding inductance每相绕组端部电感（单位亨特）；D、Number of paralle

16、l paths并联支路数；E、Wire size method电磁线尺寸设置方法：指定电磁线面积的计算方法（每相绕组winding由W个线圈coil串并联组成，每个线圈由放置在不同的两个槽里面的导体端部连接生成，每个槽里有N匝导体conductor，每个导体由M条电磁线strand并绕而成）Fill factor槽满率，指定不包含绝缘的导体截面积相对于不含衬垫的槽的面积；Strand area电磁线截面积；Strand diameter电磁线直径；AWG number美国标准线规；SWG number英制标准线规；MWG number，the Metric Wire Gauge；Rectang

17、ular矩形电磁线；Number of strands in hand 并绕线数，即形成一个导体的电磁线并绕根数；2、 Layout: Automatic绕接方式：自动A、Winding type指定同一相的绕组如何交叠，有两种方式：Lap叠绕组Concentric同心绕组B、Coil span线圈的跨距（第一节距）C、Number of layers槽中线圈的层数（单层和双层）D、Number of coils per set：线圈组（极相组），把属于同一个极下同一相的所有线圈串联在一起成为一个极相组（线圈组）；E、Phase offsets两相开始槽距离（槽数）F、Layout绕组设计G、

18、Number of turns匝数3、 Layout: Manual绕接方式：手动A、Phase B offsetB、Phase C offsetC、Number of phase A coilsD、Number of phase B coilsE、Number of phase C coilsF、Layout of phase AG、Layout of phase BH、Layout of phase C4、 Viewing Options (Chart)图表显示选项A、Chart display图表显示Back EMF反电动势Back EMF harmonics 反电动势谐波分析Windi

19、ng factors 绕组因数（短距因数和分布因数的乘积），绕组因数较低，对电机的感应电动势及基波磁动势削弱较多，因此，绕组因数越高越好。B、Effective pole angle：有效磁极电角度，永磁体磁极的有效宽度（电角度），其值 0 = 180，它与实际磁极电角度的比值为计算极弧系数。5、 Viewing Options (Model)模型显示选项A、Phases to displayB、Animation6、 右图显示窗口 A、Winding factors：绕组因数，各相的平均值，本处显示的是基波分量的绕组系数；B、Angular spread：角展度，当采用自动绕组连接时，将会有

20、多种绕组连接方式，Angular spread用来评估这些方式的绕组的质量；具体意思：当槽#1的电流是峰值时，假设转子上的某一点对应槽#1的中心，当转子旋转时，对应于槽#1的这一点将会路过其他的槽，此时，每个槽里面的电流理论上也将分别出现峰值。每个槽的Angular误差就是槽里面实际电流相位和理想电流相位之差。 The angular spread 就是所有槽的Angular误差的最大值和最小值的差。C、Conductor area：槽中导体的面积；D、Fill factor：槽满率。1.4结果栏Cogging torqueTransient analysisPWM analysisD-Qan

21、alysisLumped parametersAir gap flux原理1、如果将瞬态分析中Peak line current设置为零，也可得到齿槽转矩；2、如果将PWM分析中的Set point line current设置为零，也可得到。特点快捷得到齿槽转矩曲线显示形式1、瞬态2、平均3、谐波含量的幅值4、谐波含量的相位1、瞬态2、平均3、谐波含量的幅值4、谐波含量的相位1、磁密2、谐波含量的幅值3、谐波含量的相位纵坐标齿槽转矩1、energy磁储能2、coenergy磁共能3、torque转矩4、energy derivative5、input power输入功率6、output po

22、wer输出功率7、ohmic loss欧姆损耗8、iron loss铁芯损耗9、total loss总损耗10、winding voltage绕组电压11、line-line voltage12、winding current13、line current14、flux linkage1、torque转矩2、energy derivative3、input power输入功率4、output power输出功率5、loss损耗6、winding voltage绕组电压7、line voltage8、line-line voltage9、winding current10、line curren

23、t11、back EMF12、flux linkage1、torque转矩2、input power输入功率3、output power输出功率4、loss损耗5、efficiency效率6、power factor功率因数7、Vp电压峰值8、Vd直轴电压9、Vq交轴电压10、Ip电流峰值11、Id直轴电流12、Iq交轴电流13、Phi磁通峰值14、Phi_d直轴磁通15、Phi_q交轴磁通16、moment of inertia转动惯量1、Ld直轴电感2、Lq交轴电感3、Xd直轴电抗4、Xq交轴电抗5、Rs定子绕组电阻6、Phi_m零轴电流磁通7、Phi_d直轴磁通8、Phi_q交轴磁通9、

24、moment of inertia转动惯量气隙磁密横坐标电角度机械角度时间1、不同的设计方案2、导通超前角3、转速1、不同的设计方案2、电流有效值3、导通超前角4、转速1、不同的设计方案2、电流有效值电角度机械角度1.4.1 Cogging torque齿槽转矩 Number of data points，数据个数，值越大，时间越长； Speed/Accuracy tradeoff速度/精确度权衡1.4.2 Transient analysis瞬态分析瞬态分析远比pwm分析精确，它采用时步有限元法进行求解，可以考虑材料的非线性。然而他假设电机连接在理想的电流源（例如没有电压限制），这种情况是不

25、现实的，特别是在高速运行时。还有就是瞬态分析计算时间比pwm计算时间要长，所以，转速和超前导通角的曲线不易得到因为要消耗很多的时间。这种分析方法能很好的验证pwm分析结果：当将pwm分析中的仿真类型从“PWM三相桥式”变为“DC驱动”，此时pwm分析中输入电机的电流波形和瞬态分析中电流波形是一致的。1) Display method显示方法 Instantaneous瞬时 Time-averaged平均 Harmonic content amplitudes 幅值谐波分析 Harmonic content phases 相位谐波分析2) Result quantities结果种类A、Insta

26、ntaneous瞬时 B、 Time-averaged平均 C、Harmonic content amplitudes 幅值谐波分析 D、Harmonic content phases 相位谐波分析 主要显示的结果有：energy磁场储能、coenergy磁共能、torque转矩、energy derivative（dUm/dt）等等。3) Phases to display4) Designs：设计方案；5) Drive type 驱动方式：分为正弦波和六脉冲波 6) Connection type连接方式：分为星型和三角型连接 7) Peak line current线电流峰值设定线电流峰

27、值（安培），例如三角形连接绕组，对于正弦波驱动，线电流峰值是相电流峰值的倍；对于六脉冲驱动，线电流峰值是相电流峰值的3/2倍。注意：同超前导通角一起共同决定线圈电流的幅值和相位。8) Advance angle超前导通角定义定子磁通超前转子q轴的电角度。9) Rotor speed转子转速（rpms每分钟转速）；10) Number of FEA points：定义有限元分析中点的个数；它和下面的周期的乘积决定计算结果数据的个数；11) Periodicity周期，定义计算转矩波形的长度，以占一个电角度周期中多少来表示（最大为6），如果忽略铁芯损耗，默认值为6，如果不能忽略铁芯损耗，默认值为1

28、；如果周期大于1，则12) Number of harmonics谐波次数13) Ignore iron loss 忽略铁耗14) Speed/Accuracy tradeoff速度/精确度权衡1.4.3 PWM analysis pwm分析 Pwm分析方法是功能非常强大的一种分析方法，他模拟电机连接到三相桥式电路。Pwm分析方法的局限性：理解pwm分析原理有助于避免错误结果，因为相对于转速来说，pwm的频率相当高，所以采用时步有限元法不是很实际。因此采用其他算法代替，即电机模型由很多小的有限元分析方法完成，模型采用三相桥式电路和电流逻辑控制，模型可以考虑磁饱和特性，然而由于模型是线性的，因此

29、某些饱和特性不能观察。结果的准确性通过瞬态仿真进行验证。采用pwm分析的电机模型的准确性可以在一定程度上进行控制，电机模型包含以下三个基本特性：i. Back-EMF 反电动势ii. Cogging Torque 齿槽转矩iii. Inductance Matrix 电感矩阵 前两个参数可以通过增加Number of back-EMF harmonics来提高准确度，因为有限元法可以充分考虑磁场饱和情况；电感矩阵可以通过增加Number of inductance harmonics来提高精度，但是模型是假设磁通随着线圈电流线性变化的，而实际上并不是线性变化的。由于电流增加而引起的饱和现象依然

30、可以通过FEA current（默认等于Set point line current）来考虑。当观察Time-averaged平均或Harmonic谐波内容的结果时，我们首先需要确定瞬态电流是否已经达到稳定状态；如果没有，增加Number of periods这个参数以延长仿真时间。只有最后一个周期才是对Time-averaged平均或Harmonic谐波内容有用的。当开关频率非常高时，仿真将需要非常多的采样点，因此，参数Maximum number of sample points需要增加。实际电压和能量波形都含有高频浪涌分量，很难通过瞬态曲线来表达他们。对于这些参数，可以通过设置Smoot

31、hing interval滤波时间间隔这个参数来近似得到他们。例如：通过它可以得到如下结果：b) 转矩速度曲线i. Display method = “Time-averaged” ii. Result quantities = “Torque” iii. Abscissa = “Rotor speed” iv. Rotor speed(s) = “100, 1800,100” - (Type = Range) 2）某一转速下的反电动势i. Display method = “Instantaneous” ii. Phases to display = “A” iii. Result quan

32、tities = “Back EMF” iv. Rotor speed(s) = 1800 3）某一转速下的电流i. Display method = “Instantaneous” ii. Phases to display = “A,B,C” iii. Result quantities = “Line current” iv. Rotor speed(s) = 1800 4）某一转速下转矩谐波分析i. Display method = “Harmonic content” ii. Result quantities = “Torque” iii. Rotor speed(s) = 180

33、0 5）某一转速下，转矩和导通超前角之间的曲线i. Display method = “Time-averaged” ii. Result quantities = “Torque” iii. Abscissa = “Advance angle” iv. Advance angle(s) = “0,90,5” - (Type = Range) v. Rotor speed(s) = “1800”参数如下：15) Display method显示方法16) Result quantities结果种类17) Phases to display显示哪一相18) Designs 设计方案19) Abs

34、cissa横坐标，主要针对display method中的time-averaged20) Simulation type：Direct current drive可与瞬态仿真作对比；默认为PWM 3-phase bridge三相桥式电路；21) Drive type驱动方式：分为正弦波和六脉冲波22) Connection type连接方式：分为星型和三角型连接23) Set point line current设置线电流峰值24) Current hysteresis电流峰值误差大小，可以在Set point line current这个参数上下摆动；25) Advance angle超前

35、导通角26) Source voltage定义直流电源电压27) Diode voltage drop 二极管压降28) Switch voltage drop 开关压降29) Rotor speed 30) Number of back-EMF harmonic反电动势的谐波次数31) Number of inductance harmonic 电感的谐波次数32) FEA current定义电流计算电感，如果什么都没设定，默认Set point line curren线电流33) Maximum sampling interval最大采样间隔34) Number of periods定义仿

36、真周期35) Maximum number of sample points 最大采样点数36) Smoothing interval 滤波时间间隔37) Speed/accuracy tradeoff仿真速度/精度考虑1.4.4 D-Q analysis D-Q分析D-Q分析是最快的分析方法，它对每个电流和电压只需要一次有限元计算。它假设所有的电流和电压都是正弦波，因此它只适合正弦波电机（反电动势是正弦的以及是在正弦波驱动下运行）。在计算d轴和q轴电感时可以考虑电磁饱和，但因为所有的波形都是正弦的，所以其他的饱和特性将不能考虑。它也是假设理想电流源驱动（无压降），转矩不包含齿槽转矩。38)

37、result quantities结果显示选择39) designs设计方案40) abscissa横坐标41) Connection type连接方式：分为星型和三角型连接42) RMS current电流有效值Type指定RMS current是列表还是排列类型43) Advance angle超前导通角Type指定Advance angle是列表还是排列类型44) Rotor position 转子位置45) Rotor speed 转子转速 Type指定Rotor speed是列表还是排列类型46) Iron loss factor铁芯损耗因数，它是铁损与电流、转速的系数，关系式如下：

38、Iron_loss = 3 x Iron_loss_factor x Rotor_speed x RMS_current2. For example, a value of 0.001 would give a loss of 300 W at 10 A and 100 rpm.注意：当前，铁损只能通过瞬态分析在一个完整的周期内才能得到，DQ分析不能得到铁损。这个参数允许用户修正模型。47) Speed/accuracy tradeoff仿真速度/精度考虑1.4.5 Lumped parameters 集总参数 Lumped parameters分析同DQ分析一样做了相同的假设，它在DQ分析的

39、基础上接着做分析。这种分析是有用的，因为它提供了电机的等效电路模型，以方便其他的电路或者系统仿真软件进行仿真计算。48) result quantities结果显示选择49) designs设计方案50) abscissa横坐标51) Connection type连接方式：分为星型和三角型连接52) RMS current电流有效值Type指定RMS current是列表还是排列类型53) Advance angle超前导通角54) Rotor position 转子位置，转子D轴和定子A相轴线的夹角55) Rotor speed 转子转速，只在计算交直轴电抗时用到56) Speed/acc

40、uracy tradeoff仿真速度/精度考虑1.4.6 Air gap flux气隙磁通可以得到气隙磁通密度的径向分量。57) Display method显示选择58) designs设计方案59) Rotor position 转子位置，转子D轴和定子A相轴线的夹角60) Number of sample points采样点数61) Number of harmonics谐波次数62) Speed/accuracy tradeoff仿真速度/精度考虑1.4.7 Instantaneous field 瞬时场图显示显示电机在某个转子位置、某个超前导通角的场图63) Contour plot

41、 field等位线显示64) Shaded plot field云图显示65) designs设计方案66) Drive type驱动方式：分为正弦波和六脉冲波67) Connection type连接方式：分为星型和三角型连接68) Set point line current设置线电流峰值69) Advance angle超前导通角70) Rotor position 转子位置，转子D轴和定子A相轴线的夹角71) Speed/accuracy tradeoff仿真速度/精度考虑1.4.8 Time-averaged field平均场图显示显示电机在某个超前导通角下一个电周期下的平均场。72

42、) Contour plot field等位线显示73) Shaded plot field云图显示74) designs设计方案75) Drive type驱动方式：分为正弦波和六脉冲波76) Connection type连接方式：分为星型和三角型连接77) Set point line current设置线电流峰值78) Advance angle超前导通角79) Rotor position 转子位置，转子D轴和定子A相轴线的夹角80) Rotor speed 转子转速81) Number of sample points采样点数82) Speed/accuracy tradeoff仿

43、真速度/精度考虑1.4.9 Field line chart场图直线采样1.4.10 Field arc chart场图圆弧采样1.5材料 Motorsolve包括一百多种已定义好的材料，分成四类：永磁材料、转子材料、定子材料和线圈材料。除此之外，motorsolve还能定义材料。1.5.1 材料属性显示选中材料，可以查看其属性，如下图所示： 可以将材料属性添加到报告中、输出成html格式、还可以打印出来等1.5.2 材料定义窗口如果材料库中没有我们需要的材料，我们需要自定义材料，其属性输入窗口如下图所示：1、 general（1） name：新材料名称；（2） color：新材料的颜色；（3

44、） Description (optional)新材料描述（可选）；（4） Categories种类，一般分成四种：永磁材料、定子材料、转子材料、线圈材料；2、 magnetic（1） permeability磁导率、B-H曲线；（2） Demagnetization退磁磁通密度；（3） Magnetic loss铁芯损耗，B-P曲线；3、 electric（1） conductivity电导率（2） Resistivity电阻率（3） Permittivity介电常数4、 thermal（1） thermal conductivity温度传导率（2） Specific heat capacity比热5、 physicalmass density 密度1.6 显示区域1.6.1 模型显示显示模型或者部分。1、 add to report 可将图片添加到报告中；2、 export可以输出各种格式的图片；1.6.2 场图显示显示后处理场图。1、 add to report 可将图片添加到报告中；2、 export可以输出各种格式的图片；3、 在场图上点右键，出现对话可以对场图进行设置，具体如下：1.6.3 曲线显示显示曲线和数据。1、 add to report 可将图片添加到报告中；2、 view data 显示数据