Ansoft软件使用介绍及仿真

稳态磁场的分析通常分为静态磁场分析和涡流磁场分析两大类。两种磁场之间的本质区别是磁场是否随时间的变化而变化。静磁场意味着所有的磁场不会随时间而变化。涡流磁场是指激励随正弦或余弦律随时间而变化，但在统计意义上，它也是一个平稳时间。我们通常把这样的磁场看作一个准静态电磁场，称为一个谐波磁场或一个准稳态磁场。 

静磁场是一种不随时间变化的磁场，通常包括：永磁体的磁场；稳定电流产生的磁场;由静磁场产生的磁场; 导体以匀速运动，例如直线感应电动机。二维静态磁场实际上是问题对称性的简化。例如，四极三相永磁同步电机的静态磁场分布在每个双极区域和励磁中是对称的，只要电机的整个半波可以分析。静磁场分析比瞬态磁场分析更方便，只需要一个求解过程。

针对性源(电压或电流)，根据正弦或余弦的规律的变化而产生的电磁场问题是涡流问题，涡流问题相对较宽泛，变压器，感应电机，感应加热器，以及工作在交流状态下的电磁装置都是涡流电磁场的分析的范畴。涡流、肌肤效应、涡流导致的能量损失、磁场中的力和力矩、阻抗等在涡流分析中一般是感兴趣的物理量。

         在实际的电磁场问题上，施加电压、电流和电界而不规则地变化，并且待解决的问题，有时候根据时间有一定的规律运动。并且，加载的激励是时间、位置或速度的函数。由于两个场解算器都是静态磁场求解器，因此不能准确描述时变问题。这个问题是瞬间的。问题的范围。例如，对于负载螺线管，在时间t期间激励电压从0伏增加到U伏。在这一点上，研究螺线管中的电磁场是一个暂时的问题。有时负载是谐波的，通常进行瞬态分析。

         问题的解决方案随时间而变化，需要瞬态场求解器。瞬态分析的步骤和方法与静态分析相似。它还分为建模、定义材料属性、分布材料、划分网格、设置加载、边界条件、求解和后处理，有时还需要设置问题的运动属性。由于瞬态问题的时变分析，其分析方法在求解设置和加载模式方面有其自身的特点。

        

瞬态场仿真是本次研究的一个关键的环节，这里对瞬态场仿真给出一个详细的仿真算例进行介绍，而在后续的环形铁心仿真分析中只给出模型的仿真结果，不再对仿真过程做详细介绍。

(1)    计算空载反电动势，磁阻转矩，空载磁链；

(2)    两相无刷直流电机；

(3)    额定功率0.55kW；

(4)    额定直流工作电压220V；

(5)    极数4；

(6)    定子槽数24；

(7）  额定转速1500rpm。

项目创建

(1)    启动Ansoft并建立新的项目文件

执行Project/Insert Maxwell 2D Design 命令，建立 maxwell2D 设计分析类型。

(2)    定义分析类型

执行 Maxwell 2D/Solution Type命令，在弹出的求解器对话框中选择 Magnetic 栏下的Transient求解器，Geometry model选择Cartesian XY。

(3)    重命名及保存项目文件

执行 File/Save as命令，将名称改为BLDC_N_L后进行保存。

创建电机几何模型

(1)     确定模型基本设置

模型的基本设置主要包括两个方面：模型的轴向长度和重复周期。与二维静态磁场和涡流模型的解长度不同，该解的长度被自动设置为单位长度。在Ansoft的二维瞬态磁场解中，模型的基本长度可以由模型的基本设置给出。

(2)     绘制电机定子槽几何模型

采用第二章介绍的点、直线、弧线的绘制方法，根据实际电机槽形图绘制出 BLDC 定子槽形，将绘图坐标转换为柱坐标系，具体点坐标为：

A (37.5， 5.5898)           B(37.5， 9.4102)

C(38.0206， 5.6159)      D (38.0206， 9.3841)

E (39.1004， 3.3935)     F (39.1004， 11.6065)

G(47.3527， 2.8971)      H (45.3527， 12.1029)

(3)     绘制电机绕组几何模型

采用简化绕组模型对槽绕组进行建模，不影响磁场的计算结果。

(4)     创建电机定子冲片模型

将绘图坐标转换为柱坐标系，执行 Draw/Arc 命令绘制定子铁心内径处弧线段模型，中心点坐标(0，0)，两端点坐标为(37.5，0)、(37.5，90) ,重复执行Draw/Arc 命令绘制定子铁心外径处弧线段模型，中心点坐标(0，0)，两端点坐标为(60，0)、(60，90), 并且，根据Draw / Line的命令，画定子铁心的两条直线段的模型，端点坐标分别为(37.5，0)、(60，0)和(37.5，90)、(60，90)。

(5)     创建永磁体模型

将绘图坐标变更为柱坐标系，根据 Draw/Arc 命令绘制永磁体外径处弧线段模型，中心点点坐标(0，0)，两端点坐标为(37，13.5)、(37，76.5),电机的极弧系数为0.7，因此跨过机械角度为63度。重复执行Draw / Arc命令，得到永磁铁内径的弧线模型，中心点坐标(0，0)，两端点坐标为(33.5，13.5)、(33.5，76.5)，永磁体厚度为3.5mm，再根据Draw/Line 命令画出定子铁心两条直线段模型，端点坐标值分别为(37.5，13.5)、(60，13.5)和(37.5，76.5)、(60，76.5)。

(6)     创建转子轭模型

将绘制坐标转换为圆柱坐标系，利用绘制/弧线命令绘制转子轭外径的弧线段模型。中心点坐标(0, 0)，两个端点坐标值为(33.5，0)、(33.5，90)。重复执行 Draw/Arc 命令绘制永磁体内径处弧线段模型，中心点坐标(0，0)，两端点坐标为(13，0)、(13，90),转轴直径为26mm，再执行Draw/Line命令绘制定子铁心为两条直线段模型，端点坐标分别为(13，0)、(33.5，0)和(13，90)、(33.5，90)。

(7)     建立转子内层面域模型

在静磁场和涡流场分析的话，没有必要考虑马达转子区域的瞬时旋转运动，所以只能构筑包含马达全体的外层表面。另外，在瞬时分析的情况下，需要分离运动部分和静止部分。因此需要多建立一个包含转子求解域的内层表面区域。

(8)     建立电机外层面域模型

同样的，在瞬时分析的情况下，需要分离运动部分和静止部分。因此需要多建立一个不包含转子求解域的外层表面区域。

(9)     建立Band模型

将绘图坐标转换为柱坐标系，执行 Draw/Arc命令绘制内层面域，外径处弧线段模型，中心点坐标(0，0)，两端点坐标为(37.2，0)、(37.2，90)。执行Draw/Line 命令绘制内层面域两条直线段模型，端点坐标分别为(0，0)、(37.2，0)和(0，0)、(37.2，90)。

材料定义及分配

对于无刷电机瞬态电磁场分析，需要指定以下材料属性：

(1)     指定内，两个层面域及 BAND 材料属性——空气(或者真空)；

(2)     指定绕组 coil 材料属性——Copper；

(3)     定义定子铁心 Stator 及转子铁心 Rotor 材料属性 M19_24G，一种电机常用非线性铁磁材料；

指定永磁体材料 XG196/96，采用径向充磁。

激励源与边界条件定义及加载

当进行无刷直流电机空载分析时，励磁源仅是永磁体材料提供的主磁化磁场。这种激励已经在材料设置中完成。因此，在无刷直流电动机空载分析中不存在实际意义上的励磁源，而是为了分析电动机的空载抗电性。正确地划分绕组仍然是必要的。

对于边界条件，由于模型只建立了1/4的实际电机，主-从边界条件被应用到电机模型的边界。马达的域的外边界是磁性介质和非磁性介质之间的边界。因此，应用了平行磁通边界条件。

当进行无刷直流电机空载分析时，励磁源仅是永磁体材料提供的主磁化磁场。这种激励已经在材料设置中完成。因此，在无刷直流电动机空载分析中不存在实际意义上的励磁源，而是为了分析电动机的空载抗电性。正确地划分绕组仍然是必要的。

对于边界条件，由于模型只建立了1/4的实际电机，主-从边界条件被应用到电机模型的边界。马达的域的外边界是磁性介质和非磁性介质之间的边界。因此，应用了平行磁通边界条件

运动选项设置

无刷直流电机的瞬态电磁场分析主要针对电机旋转过程中磁场的变化。在瞬态分析中，通过运动设置选项设置模型旋转的设置。在运动设置对话框中，运动类型、数据信息和机械信息有三种选择。类型选项中的运动项被旋转以旋转。坐标系周围的运动是整个坐标系，并且在正方向，即逆时针方向上选择运动方向。

旋转运动的初始位置角在运动数据信息中的初始位置选项中设置为15度，并且在机械设定中将转速设定为1500转/分。

求解选项参数设定

在瞬态磁场分析中，通过执行Maxwell 2D /Parameters/ Assign/ Force 命令和 Maxwell 2D /Parameters/ Assign/ Toque 命令，在弹出力及力矩设置对话框，可以对力及力矩参数进行设置。在瞬态磁场分析后，可以得到力矩、时间和位置之间的关系。因此，不能为力和扭矩参数建立瞬态解。

执行Maxwell 2D /Analysis Setup/ Add Solution setup 命令，自动弹出解决方案设置对话框，主要包括一般设置、字段信息存储设置、高级设置、解决方案设置、输出变量设置和默认设置，此示例仅用于一般设置和字段信息存储设置指定设置，另一种使用系统默认设置。

在一般的设定中，将本求解设定名作为setup1，设定结束时间为0.04 秒，求解步长0.0002秒，如图5-28所示为BLDC求解时间设置。

在求解设置对话框中选择Save Fields项，场的计算结果保存选项，在Type选项中选择线性步长Linear Step，信息保存开始及终止时间分别设置为0和0.04秒，场的信息保存时间步长设置为0.001秒，即场求解每5步保存一次。

在“解决方案设置”对话框中，选择“保存字段”项，设置“字段计算结果保存”选项，在“类型”选项中选择线性步长线性步骤，将信息的开始和终止时间分别设置为0秒和0.04秒。字段信息保存时间步长设置为0.001秒，即每5个步骤保存一次字段解。