永磁體【發(fā)電機磁場分析方法

1、永磁同步發(fā)電機磁場分析方法哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁與電子技術(shù)研究所2008年7月一、 概述此文檔介紹了利用Ansoft Maxwell2D 11.0電磁場有限元分析軟件對永磁同步發(fā)電機進行磁場分析的方法，讀者應(yīng)先了解Ansoft軟件的基本使用方法后閱讀本文，Ansoft軟件的基本使用方法可參閱Ansoft工程電磁場有限元分析（劉國強著，電子工業(yè)出版社）。永磁同步發(fā)電機磁場分析的基本流程見圖1。求解靜態(tài)場求解暫態(tài)場求解暫態(tài)場建立有限元模型輸入空載邊界條件和激勵源后處理得到空載數(shù)據(jù)后處理得到電磁參數(shù)輸入電磁參數(shù)及負載邊界條件和激勵源后處理得到負載數(shù)據(jù)圖1 磁場分析的基本流程二、 求解空載磁場1. 繪制有

2、限元模型（Define Model）Ansoft Maxwell2D 有限元建模的方法主要有三種，一是直接在Maxwell2D中繪制，選擇Define Model-Draw Model 進入后在軟件提供的繪圖界面上繪制電機模型。 二是利用Ansoft RMXpert導(dǎo)入，點開Maxwell 11 3D的界面，選擇Project-Insert RMxpert Design，然后逐項輸入電機各項數(shù)據(jù)。輸入完各項數(shù)據(jù)后，點擊RMxpert-Analyze all，求解電機模型。求解完成后，點擊RMxpert-Analysis Setup-Export-Maxwell 2D Project，生成一個M

3、axwell 2D模型。 在彈出的對話框中，Project Name中填寫模型的名字，Location填寫模型存放的路徑。三是用AutoCAD繪制后導(dǎo)入。將繪制后的AutoCAD圖形存成*.dxf格式，在Ansoft Maxwell2D 繪圖界面中點擊File-Import，選中*.dxf文件在出現(xiàn)的設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)對話框中，將Number of segments for poligonalization of a circle 和 Number of segments between control points of a spline 后的數(shù)量設(shè)置得大一點，點擊ok，將AutoCAD圖形轉(zhuǎn)換為

4、Maxwell 2D模型圖形*.sm2。選擇File-Save as，將轉(zhuǎn)換好的圖形保存，然后退出繪圖界面，再進入繪圖界面后選擇File-Open, 打開轉(zhuǎn)換好的圖形。三種方法中，使用RMxpert導(dǎo)入是最簡便的，但要求設(shè)計的電機在RMxpert的庫中有；利用AutoCAD導(dǎo)入繪圖較為方便，但導(dǎo)入過程較麻煩且易出錯，因此對于RMxpert的庫中沒有的電機模型，推薦使用第一種方法，直接在Maxwell的繪圖界面中繪制。繪制好有限元模型后，為方便后續(xù)操作，在Define Model-Group Objects中將各槽中的導(dǎo)體按三相正負分為六組。2. 設(shè)置材料屬性（Setup Materials）把

5、材料附給相應(yīng)的物體即可，選中物體和對應(yīng)的材料之后點擊Assign 對于庫中沒有的材料，需要手動添加，下面介紹一下手動添加永磁材料和硅鋼片材料的方法。對于添加永磁材料，先點擊Material-add 在Material Properties下的框中填好新增材料的名字，然后點擊options 對于永磁材料，一般需知道其的剩磁和矯頑力，固將options對話框中的Hc和Br選上后點擊OK退出。 在Conductivity中填該永磁材料的電導(dǎo)率，Mag.Coercivity中填永磁材料的矯頑力，注意是負值，在Mag.Retentivity中填永磁材料的剩磁，都填寫完畢后電機Enter，材料添加完畢。對

6、于磁化曲線非線性的硅鋼片材料，需導(dǎo)入其磁化曲線，具體做法如下：進入添加材料界面，填好新材料名稱后，勾選上B-H Nonlinear Material，然后點擊B H Curve，彈出輸入磁化曲線界面，點擊Import，將磁化曲線數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入。給物體附永磁材料屬性時需要定義永磁材料的磁化方向，點擊Assign后出現(xiàn)附磁化方向的對話框。Align with objects orientation 是指磁化方向與該物體方向一致，該物體的方向如右圖中的黑箭頭所示，旁邊的數(shù)字是其在極坐標系下的角度，箭頭的圓點是極坐標系的圓點，水平向右方向為極坐標0度所在方向。Align with a given dir

7、ection 是指磁化方向手動輸入角度，此角度為極坐標系下的絕對值，Align relative to objects orientation 是指手動輸入相對物體方向的角度，此角度為極坐標系下，相對物體方向的角度。根據(jù)永磁體實際磁化方向，靈活運用三種附磁化方向的方法給永磁材料添加磁化方向，設(shè)定好后點擊View Angle后在圖上點擊設(shè)定磁化方向的物體，出現(xiàn)的紅箭頭為設(shè)置好的磁化方向。圖中示范為徑向充磁，實際磁化方向與永磁體的方向是垂直的，故選擇手動輸入相對物體方向的角度90度，即設(shè)置好了一塊永磁體徑向的磁化方向。 3. 設(shè)置邊界條件和激勵源（Setup Boundaries/Sources）

8、3.1設(shè)置邊界條件對于繪制的一對極區(qū)域下的電機模型，需要添加的邊界條件有兩個，一是認為電機外殼不往外漏磁通，即把電機定子外圓的磁通密度法向分量設(shè)為0。操作方法如下：點擊工具欄Edit-Select-Edge后選中電機定子外圓；點擊工具欄Assign-Boundary-Value，勾上Vector Potential, Value設(shè)為0，然后點擊Assign，設(shè)置完成。對于僅繪制一對極區(qū)域的電機模型，還需要添加對稱邊界條件。操作方法如下：點擊工具欄Edit-Select-Trace后，選擇一條電機的對稱邊界，分段一次性描一遍。點擊工具欄Assign-Boundary-Master，后點擊Assi

9、gn。然后再點擊工具欄Edit-Select-Trace后，選擇另一條電機的對稱邊界，再分段一次性描一遍。后點擊工具欄Assign-Boundary-Slave，選擇Slave=+Master后點擊Assign，對稱邊界條件設(shè)置完成。3.2 設(shè)置激勵源發(fā)電機空載運行時，需將三相繞組中的電流設(shè)為0，操作方法如下：點擊工具欄Edit-Select-Object-By Name后在對話框中輸入A相繞組正向的名字，再操作一次后輸入A相繞組負向的名字后，A相繞組被選中。 點擊工具欄Assign-Source-Solid后，分別選擇Current/Strand/total，Value設(shè)為0點擊Windin

10、g，把A相繞組正向設(shè)為Positive，負向設(shè)為Negative，Total turns as seen from terminal后輸入每相繞組總的匝數(shù)，注意是每項繞組總匝數(shù)而非每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，Number of Parallel Branches后輸入并聯(lián)支路數(shù)后點擊ok，回到上一界面后點擊Assign，這樣就設(shè)置完了一相繞組，重復(fù)以上操作，設(shè)置好B和C相繞組后保存退出。如果電機有阻尼繞組，點擊工具欄Edit-Select-Object-By Name后在對話框中輸入阻尼條的名字，選中所有阻尼條后點擊工具欄Assign-End Connection，選中Passive end-conne

11、cted conductor，End resistance between adjacent conductors后輸入相鄰阻尼條間阻尼環(huán)的電阻，End inductance between adjacent conductors后輸入相鄰阻尼條間阻尼環(huán)的電感。全部設(shè)置好后保存退出。4. 設(shè)置求解參數(shù)（Setup Solution）點擊Setup Solution-options, Time Step后輸入求解的步長，一般推薦一個周期至少計算100步；Stop Time后輸入求解的時間，一般計算空載場算一個電周期即可；Model Depth后輸入模型的軸向長度，永磁電機輸入永磁體的軸向長度；S

12、ymmetry Multiplier后輸入模型對稱數(shù)，例如模型畫了一對極的電機，電機極數(shù)是16，那么模型對稱數(shù)就是8。點擊Setup Solution-Motion Setup設(shè)置Band，點擊Mechanical Setup 設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速。5 Solve-Nominal Problem求解6. 后處理6.1 主界面上選擇Solutions-Transient Data可以查看轉(zhuǎn)矩、反電勢，磁鏈、阻尼條電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速等波形。6.2 選擇Post Process-Fields可以查看磁場分布等。在反電勢波形上讀出A相反電勢超前或滯后標準正弦波的相位角。以下圖為例，找到A相反電勢波形

13、上第一個從負到正的過零點，點擊Show Coords后選擇該點，得到該點的橫坐標，將其除以反電勢周期的長度乘以360后即為滯后標準正弦波的相位角。圖中過零點的橫坐標是0.00235，反電勢周期是0.02s，那么此反電勢波滯后標準正弦波的相位角就是。三、諧波分析空載氣隙磁密和反電勢的諧波分析建立在空載磁場分析的基礎(chǔ)上，首先要獲得空載氣隙磁密和反電勢的數(shù)據(jù)文件。反電勢的數(shù)據(jù)文件點擊Post Process-Transient Data后找到反電勢的波形保存成數(shù)據(jù)文件即可。空載氣隙磁密數(shù)據(jù)文件的取得要麻煩一些，下面逐步說明。1. 點擊Post Process-Fields，選擇某個時間點的場域進行觀

14、察。2. 在氣隙中畫一段弧，這段弧應(yīng)跨偶數(shù)個極。畫弧的方法為：點擊Geometry-Create-Arc，然后通過輸入圓心、起始點坐標和圓弧的圓心角完成這段圓弧。3. 弧畫好后點擊進入后處理器，現(xiàn)在即要畫出穿過這段弧的磁通密度法向分量沿圓弧的變化。點擊Qty，選中磁通密度B，點擊Geom，選中剛才畫的那段弧，然后依次點擊Normal-Undo-2D Plot-Ok, 即可得到氣隙磁密的分布。4點擊工具欄Plot-Save as-2D Plot-把氣隙磁密的分布保存成數(shù)據(jù)文件。得到反電勢或氣隙磁密的數(shù)據(jù)文件后，利用其他數(shù)學(xué)軟件例如Matlab做付利葉變換即可得到各次諧波的含量。Ansoft本身也

15、具有對數(shù)據(jù)進行付利葉變換的功能，下面以反電勢的諧波分析為例簡要介紹一下步驟。1. 點擊Ansoft主功能條上的UTILITIES-PLOT DATA進入Ansoft數(shù)據(jù)處理界面，點擊工具欄Plot-Open打開要處理的數(shù)據(jù)文件2. 點擊工具欄上的計算器圖標，進入數(shù)據(jù)處理器。 任意選擇某一相的反電勢波形，點擊Copy，將數(shù)據(jù)文件復(fù)制入數(shù)據(jù)處理器。3. 點擊Sample，Sample in 選擇Time， Specify by 選擇 Size，Start 和 Stop應(yīng)正好截取整數(shù)個周期的波形，Size處應(yīng)選擇2的整數(shù)次方填入，一般推薦填1024即可。都選擇好后點擊OK4. 點擊FFT后點擊OK，

16、完成快速付利葉變換。5. 將輸出的幅值除以周期的一半后即為實際的幅值。6. 將文件輸出，用excel打開即可看到各次諧波的幅值。7. 得到各次諧波的幅值后，諧波因數(shù)H按下式計算 式中Ai為各次諧波的幅值，A1為基波的幅值。1. 8. 用基波半周期內(nèi)的平均值除以氣隙磁密半周期內(nèi)的平均值，即為氣隙磁通波形系數(shù)。四、定位轉(zhuǎn)矩的分析求解空載場時，將鐵心材料和永磁材料的電導(dǎo)率都設(shè)置為0，觀察計算出的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)是有規(guī)律的在波動，波動的最大值即為最大定位轉(zhuǎn)矩值。五、負載分析負載分析建立在空載分析的基礎(chǔ)上，步驟和操作與空載分析基本一致，特別要注意的是，求解同一個模型時，空載和負載模型的轉(zhuǎn)子初始位置要完全一致。負

17、載分析模擬的是發(fā)電機接如無限大電網(wǎng)的情況。下面介紹一下以A相為例加額定電壓的步驟。首先按前面的方法選中A相繞組后，設(shè)置激勵源為電壓，點擊Functions，設(shè)置三相電壓函數(shù)以A相為例，A相電壓函數(shù)va=U/sqrt(3)*sqrt(2)*sin(2*180*f*T-a-b),其中U為發(fā)電機的額定線電壓有效值，f為發(fā)電機的額定功率，a為空載反電勢的初相角，b為空載反電勢與額定電壓之間的夾角。相應(yīng)的B相和C相在A相的基礎(chǔ)上滯后120度和240度即可。設(shè)置好電壓函數(shù)后，點擊Done。點擊Options，選擇電壓的模式為Function，后在Value對話框里填上A相電壓函數(shù)的符號。點擊Winding

18、設(shè)置繞組，與空載設(shè)置不同的在于要多設(shè)置幾項：Initial Current設(shè)為0，Resistance填每相繞組電阻，Inductance填每相繞組端部漏感，若電機繞組是Y接的把Y-connect with other windings勾上。端部漏感的計算方法可查閱電機設(shè)計相關(guān)章節(jié)，不同的繞組形式公式有所不同，RMxpert中也能算出端部漏感。針對雙層分數(shù)槽繞組，端部漏感Le按下式計算式中為極距，0為真空磁導(dǎo)率，N為每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，y為繞組節(jié)距，p為電機極對數(shù)，q為電機每極每相槽數(shù)，m為電機相數(shù)，均采用國際單位制單位。其余的都與空載磁場設(shè)置相同。計算完成后，點擊Post Process-Transient Data，然后點擊界面上的File-Import Signals，分別調(diào)出電流和電壓的波形。點擊Plo