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永磁同步发电机磁场分析方法哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所2008年7月一、概述此文档介绍了利用AnsoftMaxwell2D11.0电磁场有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析的方法，读者应先了解Ansoft软件的基本使用方法后阅读本文，Ansoft软件的基本使用方法可参阅《Ansoft工程电磁场有限元分析》（刘国强著，电子工业出版社）。永磁同步发电机磁场分析的基本流程见图1。图1磁场分析的基本流程二、求解空载磁场求解静态场求解暂态场求解暂态场建立有限元模型输入空载边界条件和激励源后处理得到空载数据后处理得到电磁参数输入电磁参数及负载边界条件和激励源后处理得到负载数据1.绘制有限元模型（DefineModel）AnsoftMaxwell2D有限元建模的方法主要有三种，一是直接在Maxwell2D中绘制，选择DefineModel-DrawModel进入后在软件提供的绘图界面上绘制电机模型。二是利用AnsoftRMXpert导入，点开Maxwell113D的界面，选择Project-InsertRMxpertDesign，然后逐项输入电机各项数据。输入完各项数据后，点击RMxpert-Analyzeall，求解电机模型。求解完成后，点击RMxpert-AnalysisSetup-Export-Maxwell2DProject，生成一个Maxwell2D模型。在弹出的对话框中，ProjectName中填写模型的名字，Location填写模型存放的路径。三是用AutoCAD绘制后导入。将绘制后的AutoCAD图形存成*.dxf格式，在AnsoftMaxwell2D绘图界面中点击File-Import，选中*.dxf文件在出现的设置转换参数对话框中，将Numberofsegmentsforpoligonalizationofacircle和Numberofsegmentsbetweencontrolpointsofaspline后的数量设置得大一点，点击ok，将AutoCAD图形转换为Maxwell2D模型图形*.sm2。选择File-Saveas，将转换好的图形保存，然后退出绘图界面，再进入绘图界面后选择File-Open,打开转换好的图形。三种方法中，使用RMxpert导入是最简便的，但要求设计的电机在RMxpert的库中有；利用AutoCAD导入绘图较为方便，但导入过程较麻烦且易出错，因此对于RMxpert的库中没有的电机模型，推荐使用第一种方法，直接在Maxwell的绘图界面中绘制。绘制好有限元模型后，为方便后续操作，在DefineModel-GroupObjects中将各槽中的导体按三相正负分为六组。2.设置材料属性（SetupMaterials）把材料附给相应的物体即可，选中物体和对应的材料之后点击Assign对于库中没有的材料，需要手动添加，下面介绍一下手动添加永磁材料和硅钢片材料的方法。对于添加永磁材料，先点击Material-add在MaterialProperties下的框中填好新增材料的名字，然后点击options对于永磁材料，一般需知道其的剩磁和矫顽力，固将options对话框中的Hc和Br选上后点击OK退出。在Conductivity中填该永磁材料的电导率，Mag.Coercivity中填永磁材料的矫顽力，注意是负值，在Mag.Retentivity中填永磁材料的剩磁，都填写完毕后电机Enter，材料添加完毕。对于磁化曲线非线性的硅钢片材料，需导入其磁化曲线，具体做法如下：进入添加材料界面，填好新材料名称后，勾选上B-HNonlinearMaterial，然后点击BHCurve，弹出输入磁化曲线界面，点击Import，将磁化曲线数据文件导入。给物体附永磁材料属性时需要定义永磁材料的磁化方向，点击Assign后出现附磁化方向的对话框。Alignwithobject’sorientation是指磁化方向与该物体方向一致，该物体的方向如右图中的黑箭头所示，旁边的数字是其在极坐标系下的角度，箭头的圆点是极坐标系的圆点，水平向右方向为极坐标0度所在方向。Alignwithagivendirection是指磁化方向手动输入角度，此角度为极坐标系下的绝对值，Alignrelativetoobject’sorientation是指手动输入相对物体方向的角度，此角度为极坐标系下，相对物体方向的角度。根据永磁体实际磁化方向，灵活运用三种附磁化方向的方法给永磁材料添加磁化方向，设定好后点击ViewAngle后在图上点击设定磁化方向的物体，出现的红箭头为设置好的磁化方向。图中示范为径向充磁，实际磁化方向与永磁体的方向是垂直的，故选择手动输入相对物体方向的角度90度，即设置好了一块永磁体径向的磁化方向。3.设置边界条件和激励源（SetupBoundaries/Sources）3.1设置边界条件对于绘制的一对极区域下的电机模型，需要添加的边界条件有两个，一是认为电机外壳不往外漏磁通，即把电机定子外圆的磁通密度法向分量设为0。操作方法如下：点击工具栏Edit-Select-Edge后选中电机定子外圆；点击工具栏Assign-Boundary-Value，勾上VectorPotential,Value设为0，然后点击Assign，设置完成。对于仅绘制一对极区域的电机模型，还需要添加对称边界条件。操作方法如下：点击工具栏Edit-Select-Trace后，选择一条电机的对称边界，分段一次性描一遍。点击工具栏Assign-Boundary-Master，后点击Assign。然后再点击工具栏Edit-Select-Trace后，选择另一条电机的对称边界，再分段一次性描一遍。后点击工具栏Assign-Boundary-Slave，选择Slave=+Master后点击Assign，对称边界条件设置完成。3.2设置激励源发电机空载运行时，需将三相绕组中的电流设为0，操作方法如下：点击工具栏Edit-Select-Object-ByName后在对话框中输入A相绕组正向的名字，再操作一次后输入A相绕组负向的名字后，A相绕组被选中。点击工具栏Assign-Source-Solid后，分别选择Current/Strand/total，Value设为0点击Winding，把A相绕组正向设为Positive，负向设为Negative，Totalturnsasseenfromterminal后输入每相绕组总的匝数，注意是每项绕组总匝数而非每相绕组串联匝数，NumberofParallelBranches后输入并联支路数后点击ok，回到上一界面后点击Assign，这样就设置完了一相绕组，重复以上操作，设置好B和C相绕组后保存退出。如果电机有阻尼绕组，点击工具栏Edit-Select-Object-ByName后在对话框中输入阻尼条的名字，选中所有阻尼条后点击工具栏Assign-EndConnection，选中Passiveend-connectedconductor，Endresistancebetweenadjacentconductors后输入相邻阻尼条间阻尼环的电阻，Endinductancebetweenadjacentconductors后输入相邻阻尼条间阻尼环的电感。全部设置好后保存退出。4.设置求解参数（SetupSolution）点击SetupSolution-options,TimeStep后输入求解的步长，一般推荐一个周期至少计算100步；StopTime后输入求解的时间，一般计算空载场算一个电周期即可；ModelDepth后输入模型的轴向长度，永磁电机输入永磁体的轴向长度；SymmetryMultiplier后输入模型对称数，例如模型画了一对极的电机，电机极数是16，那么模型对称数就是8。点击SetupSolution-MotionSetup设置Band，点击MechanicalSetup设置电机的转速。5．Solve-NominalProblem求解6.后处理6.1主界面上选择Solutions-TransientData可以查看转矩、反电势，磁链、阻尼条电流、电压、转子位置、转速等波形。6.2选择PostProcess-Fields可以查看磁场分布等。在反电势波形上读出A相反电势超前或滞后标准正弦波的相位角。以下图为例，找到A相反电势波形上第一个从负到正的过零点，点击ShowCoords后选择该点，得到该点的横坐标，将其除以反电势周期的长度乘以360后即为滞后标准正弦波的相位角。图中过零点的横坐标是0.00235，反电势周期是0.02s，那么此反电势波滞后标准正弦波的相位角就是度3.4236002.000235.0。三、谐波分析空载气隙磁密和反电势的谐波分析建立在空载磁场分析的基础上，首先要获得空载气隙磁密和反电势的数据文件。反电势的数据文件点击PostProcess-TransientData后找到反电势的波形保存成数据文件即可。空载气隙磁密数据文件的取得要麻烦一些，下面逐步说明。1.点击PostProcess-Fields，选择某个时间点的场域进行观察。2.在气隙中画一段弧，这段弧应跨偶数个极。画弧的方法为：点击Geometry-Create-Arc，然后通过输入圆心、起始点坐标和圆弧的圆心角完成这段圆弧。3.弧画好后点击进入后处理器，现在即要画出穿过这段弧的磁通密度法向分量沿圆弧的变化。点击Qty，选中磁通密度B，点击Geom，选中刚才画的那段弧，然后依次点击Normal-Undo-2DPlot-Ok,即可得到气隙磁密的分布。4．点击工具栏Plot-Saveas-2DPlot-把气隙磁密的分布保存成数据文件。得到反电势或气隙磁密的数据文件后，利用其他数学软件例如Matlab做付利叶变换即可得到各次谐波的含量。Ansoft本身也具有对数据进行付利叶变换的功能，下面以反电势的谐波分析为例简要介绍一下步骤。1.点击Ansoft主功能条上的UTILITIES-PLOTDATA进入Ansoft数据处理界面，点击工具栏Plot-Open打开要处理的数据文件2.点击工具栏上的计算器图标，进入数据处理器。任意选择某一相的反电势波形，点击Copy，将数据文件复制入数据处理器。3.点击Sample，Samplein选择Time，Specifyby选择Size，Start和Stop应正好截取整数个周期的波形，Size处应选择2的整数次方填入，一般推荐填1024即可。都选择好后点击OK4.点击FFT后点击OK，完成快速付利叶变换。5.将输出的幅值除以周期的一半后即为实际的幅值。6.将文件输出，用excel打开即可看到各次谐波的幅值。7.得到各次谐波的幅值后，谐波因数H按下式计算1221AAHni式中Ai为各次谐波的幅值，A1为基波的幅值。1.8.用基波半周期内的平均值除以气隙磁密半周期内的平均值，即为气隙磁通波形系数。四、定位转矩的分析求解空载场时，将铁心材料和永磁材料的电导率都设置为0，观察计算出的转矩，应是有规律的在波动，波动的最大值即为最大定位转矩值。五、负载分析负载分析建立在空载分析的基础上，步骤和操作与空载分析基本一致，特别要注意的是，求解同一个模型时，空载和负载模型的转子初始位置要完全一致。负载分析模拟的是发电机接如无限大电网的情况。下面介绍一下以A相为例加额定电压的步骤。首先按前面的方法选中A相绕组后，设置激励源为电压，点击Functions，设置三相电压函数以A相为例，A相电压函数va=U/sqrt(3)*sqrt(2)*sin(2*180*f*T-a-b),其中U为发电机的额定线电压有效值，f为发电机的额定功率，a为空载反电势的初相角，b为空载反电势与额定电压之间的夹角。相应的B相和C相在A相的基础上滞后120度和240度即可。设置好电压函数后，点击Done。点击Options，选择电压的模式为Function，后在Value对话框里填上A相电压函数的符号。点击Winding设置绕组，与空载设置不同的在于