電機CAD有限元及CAD制圖上機實驗報告

1、現(xiàn)代電機CAD技術(shù)仿真報告題目 有限元及CAD制圖上機實驗報告 任課教師 作者 專業(yè)學號 上課時間 作業(yè)完成時間浙江大學電氣學院有限元及CAD制圖上機實驗報告課程 現(xiàn)代電機CAD技術(shù) 實驗名稱 有限元及CAD上機實驗 系 別_電氣工程及其自動化_ 實 驗 日 期 2016年 月 日專業(yè)班級_組別_ 實 驗 報 告 日 期 2016年 月 日姓 名_學號_ 報 告 退 發(fā) ( 訂正 、 重做 )實驗名稱 有限元及CAD上機實驗一. 題目1、繪制給定的電機二維截面圖。2、完成該電機的電磁場有限元分析。3、基本假設(shè)l 假設(shè)為單位電機（軸向長度1m，每相繞組匝數(shù)1匝）。l 6/4極、8/6極電機，相對

2、兩極正向串聯(lián)，構(gòu)成一相，形成兩極磁場；12/8極電機，相互垂直四極串聯(lián)，構(gòu)成一相，形成四極磁場。勵磁安匝只對一相繞組施加。l 沖片材料DR510-50l 尺寸單位：mm。l SRM x-x-0、-7、-145、-18、-225、-30表示定子極中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線的夾角，分別為0度、7度、14.5度、18度、22.5度、30度。l 繞組未給尺寸，可以近似繪制二. 環(huán)境Windows 7_64bitAnsoft Maxwell V15、AutoCAD2014 Office 2016三. 實驗數(shù)據(jù)、結(jié)果分析1. 建AutoCAD圖我的電機型號為SRM9-2-18，下圖為使用AutoCAD繪制的電機

3、二位截面圖。圖 1 AutoCAD繪制的電機截面圖 做好圖后，首先對這一電機進行初步分析，如圖所視，該電機為開關(guān)磁阻電機，定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成（本實驗中選用了DR510-50電工硅鋼薄板）。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向?qū)ΨQ的兩個繞組聯(lián)接起來，稱為“一相”，本電機為四相8/6極，是現(xiàn)在應(yīng)用較多的相數(shù)結(jié)構(gòu)。開關(guān)磁阻電機的控制系統(tǒng)由功率變換器、控制器與轉(zhuǎn)子位置檢測器四部分組成，其中控制器內(nèi)包含功率變換器和控制電路。在本實驗中，只對開關(guān)磁阻電機本體進行電磁場分析。2. 用Maxwell軟件進行分析對電極進行初步分析后，我們就可以對這一狀態(tài)下（指當前狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子

4、槽中心線與定子槽中心線之間的夾角為18）的電機進行分析。首先，將電機的二維截面圖轉(zhuǎn)換成面域并導(dǎo)入Maxwell，設(shè)定定子、轉(zhuǎn)子材料為DR510-50電工硅鋼薄板，氣隙為空氣，轉(zhuǎn)子中心也為空氣。實際上，為增強轉(zhuǎn)子的機械強度，轉(zhuǎn)子中心一般選用鋼材料，不會設(shè)計為空氣，但轉(zhuǎn)子一般不會飽和，中心的磁密分布也很少，且題目中并沒有對損耗分析做要求，所以這里選用空氣也無妨。繞組為銅線。1) 沖片材料磁化曲線圖 2 沖片材料磁化曲線此時只對上下繞組（定為A相繞組）加直流激勵。由于所建的模型將繞組匝數(shù)定為最簡單的一匝，所以這里加入較大的直流激勵來模擬實際的安匝數(shù)。2) 查看磁力線為檢查所建的模型是否正確，首先對A

5、相繞組加入200nA直流激勵，查看電機的磁力線走向，如下圖：圖 3 對A相繞組施加200nA激勵時電機磁力線（參數(shù)設(shè)置30）如圖3，磁力線主要走磁阻比較小的區(qū)域，電機磁力線主要分布在轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛、定子齒、定子軛以及A相繞組與轉(zhuǎn)子之間的氣息中。其他結(jié)構(gòu)中存在漏磁，如定子齒頂部漏磁、槽漏磁等。我們可以看出，當電機轉(zhuǎn)子槽中心線與定子槽中心線之間的夾角為18時，漏磁很小。同時，從圖中的磁力線分布我們可以看到，有些地方磁力線明顯較為密集，結(jié)合下圖磁密分析的結(jié)果我們可以看到，磁力線較為密集的地方磁密往往較大，這與理論知識相符合。由開關(guān)磁阻電機的運行原理得知，其運行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著

6、磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合，且轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。3) 查看磁密分布為進一步對電機進行電磁場分析，可觀察電機的磁密分布曲線，如下圖：圖 4 勵磁200nA電機磁密分布（參數(shù)設(shè)置為30）由上圖4，磁力線明顯較為密集的結(jié)構(gòu)處，磁密也較大，磁力線左右分布對稱，磁密左右分布也對稱，這與理論知識相符。4) 觀察剖分網(wǎng)格圖再觀察剖分網(wǎng)格圖，如下，可以看出，在定轉(zhuǎn)子齒部，剖分線較密，密度較大，在定轉(zhuǎn)子顎部剖分密度較小，因為此處的磁場分布較均勻圖 5 勵磁200nA電機剖分網(wǎng)格圖5) 加大勵磁電流，查看磁

7、密分布，分析電機的鐵心的飽和程度：由于本實驗要求我們畫磁化曲線，那么我們可以先加大勵磁電流。當取勵磁為1000安匝時候，其磁場分布圖如下：磁場強度最大也只有1.2T左右，比較小，故加大勵磁。圖 6 勵磁1000A，電機磁密分布 于是通過改變勵磁電流安匝數(shù)，在有限元分析中可得到不同的磁場分布圖和磁密分布圖，從中可得到一定勵磁電流（磁勢）下，各點的B-H關(guān)系。當取勵磁為2000安匝時候，其磁場分布圖如下：磁場強度最大為1.6T左右，還不到1.8T，故加大勵磁。圖 7 勵磁2000A，電機磁密分布當取勵磁為4000安匝時候，其磁場分布圖如下：圖 8 勵磁4000A，電機磁密分布當取勵磁為6000安匝

8、時候，其磁場分布圖如下：磁場強度最大為1.8T左右。圖 9 勵磁6000A，電機磁密分布6) 觀察氣隙磁場波形當勵磁電流為1000安匝時，觀察氣隙磁場分布： 圖 10 勵磁1000A，電機氣隙磁場波形由上圖所示，根據(jù)勵磁電流的流向，電機上下兩磁極分別為N極、S極，則兩極氣息磁場方向相反。且每極極邊的兩側(cè)磁場強，磁極中心線處磁密小，這一現(xiàn)象與磁力線分布圖吻合。7) 觀察電感、轉(zhuǎn)矩、磁鏈計算結(jié)果。勵磁為4000安匝時，電感計算結(jié)果：轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果：磁鏈計算結(jié)果：四. 總結(jié)通過本次實驗，我熟悉了cad制圖的方法，以及AutoCAD軟件的運用，學會了如何利用Maxwell軟件進行分析，同時，對有限元分析

9、的方法也有了更深的了解，對于電機的磁場線以及磁密的分布也有了更深刻的理解。電機轉(zhuǎn)子槽中心線與定子槽中心線之間的夾角為18時，A相磁極左右兩側(cè)的磁路的磁阻不同，磁力線分布也不對稱，左右兩側(cè)轉(zhuǎn)子齒的受力也不同，所以此時電機的轉(zhuǎn)矩不為0。且由于A相磁極距離右側(cè)的轉(zhuǎn)子齒非常近，A相磁極到右側(cè)轉(zhuǎn)子齒的磁路的磁阻小，則磁力線大多從A相磁極出發(fā)，經(jīng)過很小的一段氣隙，到達右側(cè)轉(zhuǎn)子齒，不容易產(chǎn)生漏磁。通過改變勵磁電流的大小，可以改變磁感應(yīng)強度的大小。通過磁化曲線可以看出，當磁勢較小時，磁鏈與磁勢近似呈線性關(guān)系，隨著磁勢的增大，磁鏈趨于飽和，顯示在曲線上就是趨于平緩。另外，在AutoCAD中作圖時，最好一開始就把

10、圖的中心定在坐標原點，因為Maxwell分析電機的轉(zhuǎn)矩時，以坐標原點為軸心。做好圖后，應(yīng)該將圖轉(zhuǎn)化成面域，轉(zhuǎn)換成面域后，將選中圖形，導(dǎo)出成.sat格式并導(dǎo)入Maxwell。本次實驗中，我對于開關(guān)磁阻電機也有了更深刻的認識。開關(guān)磁阻電機的定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成（本實驗中，我們選用了DR510-50電工硅鋼薄板）。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向?qū)ΨQ的兩個繞組聯(lián)接起來，稱為“一相”，本電機為四相8/6極。雖然相數(shù)增多，步距角將小，有利于減少轉(zhuǎn)矩脈動，但相數(shù)增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高。因此，現(xiàn)今應(yīng)用較多的是四相（8/6）結(jié)構(gòu)和三相（12/8）結(jié)構(gòu)。開關(guān)磁阻

11、電機的控制系統(tǒng)由功率變換器、控制器與轉(zhuǎn)子位置檢測器四部分組成，其中控制器內(nèi)包含功率變換器和控制電路。開關(guān)磁阻電機的運行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，成本低，可用于高速運轉(zhuǎn)。其次，因為電動機轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需單方相繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關(guān)，使功率電路簡單可靠。此外，從電動機的電磁結(jié)構(gòu)上看，各項繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。從控制結(jié)構(gòu)上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨立工作。在我看來