Ansoft Maxwell的案例
基于Ansoft Maxwell 的電機氣隙徑向磁密求取
基于Ansoft Maxwell 的電機氣隙徑向磁密求取
氣隙徑向磁密求取是最基本的軟件操作，官方文檔上本有這部分的講解，但因為這個問題依舊被不斷問起，故本人寫了一個粗糙的文檔，希望能對大家有所幫助，寫的時間倉促，本人水平亦平平，定有許多不當乃至錯誤，歡迎您的指正與指導。
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基于Ansoft Maxwell的永磁直流空心杯電機有限元分析
以永磁直流空心杯電機為模型，運用Ansoft Maxwell軟件搭建仿真模型，進行網(wǎng)格剖分、材料賦予及激勵源等設(shè)置。求解并分析模型在穩(wěn)態(tài)的磁場分布及瞬態(tài)的輸出特性，為電機的設(shè)計與優(yōu)化提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：空心杯電機;Ansoft Maxwell;有限元分析;
0 引 言
永磁直流空心杯電機是空心杯電機的一種，其因為體積小重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、工作效率高等優(yōu)點被廣泛應用于軍事國防領(lǐng)域[1]。瑞士Maxon集團研制的空心杯電機，在2004年隨美國航空航天局的火星探測器出色地完成了任務。2012年美國私人航天公司SpaceX的天龍?zhí)柾瑯优渲昧丝招谋姍C。與國外電機制造業(yè)相比，國內(nèi)在設(shè)計專業(yè)程度方面和制造良品率方面有一定的差距，導致國內(nèi)生產(chǎn)的空心杯電機不及國外知名企業(yè)的同類型電機。本文介紹了永磁直流空心杯電機工作的原理，基于Maxwell仿真軟件對“二極九槽”永磁直流空心杯電機進行二維建模、劃分網(wǎng)格、賦予材料屬性及設(shè)置激勵源，對電機穩(wěn)態(tài)磁場情況及瞬態(tài)工作情況進行分析，確定電機磁場強度、氣隙磁密、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等情況。
1 永磁直流空心杯電機的結(jié)構(gòu)與原理
永磁直流空心杯電機的特點是轉(zhuǎn)子無鐵心，也稱為空心杯轉(zhuǎn)子。該類電機帶有電刷、換向器，定子采用稀土磁鋼產(chǎn)生激磁磁場，當給電機施加直流電壓后，通過電刷與換向器的換向繞組中的電流方向保持不變[2],該電流與定子激磁磁場相互作用，形成方向始終不變的電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電機以一定的轉(zhuǎn)速工作。
2 基于Ansoft Maxwell的有限元分析
2.1 有限元仿真模型的建立
永磁直流空心杯電機具有系統(tǒng)多變量、非線性及較強的耦合性的特點，故文中簡化了不必要的分析計算過程，對電機系統(tǒng)作出如下假設(shè)條件[3]:
(1)不計電機中的渦流效應與磁滯效應。
(2)忽略空間諧波對電機磁場的影響。
展開 [轉(zhuǎn)載]關(guān)于Ansoft maxwell中電機鐵耗和渦流損耗計算的說明
注意，B-P曲線分為單頻和多頻兩種，能給出多頻損耗曲線最好，這樣maxwell算得準些。設(shè)置完鐵損曲線以后，還要記得在excitations/set core loss，對定子鐵心勾選才行。此時，不需要給定子和轉(zhuǎn)子鐵心再施加電導率，這是初學者容易忽視的問題。后處理中，通過result/create transient reports/core loss查看鐵耗隨時間變化曲線。
再談一下什么情況下需要做渦流損耗分析。對永磁電機，永磁體受空間高次諧波的影響，會在表面產(chǎn)生渦流損耗；對實心轉(zhuǎn)子電機，由于是大塊導體，因此渦流損耗占絕大部分。以上兩種情況需要考慮做渦流損耗分析。現(xiàn)以永磁電機為例，具體闡述。對永磁體設(shè)置電導率，然后對每個永磁體分別施加零電流激勵源，在excitations/set eddy effect，對永磁體勾選。注意，若只考慮永磁體的渦流損耗，而不考慮電機其他部分（定轉(zhuǎn)子鐵心）的渦流損耗，則只需要給永磁體賦予電導率值，其他部件不需要賦電導率，這是初學者容易搞錯的地方。簡而言之，只對需要考慮渦流損耗的部件，施加電導率，零電流激勵和set eddy effect。后處理中，通過results/create transient reports/retangular report/solid loss查看渦流損耗隨時間變化曲線。最后，再次強調(diào)一下，做渦流損耗分析，需要skin depth based refinement網(wǎng)格剖分才行。
以上方法，適用于Ansoft maxwell 13.0.0及以上版本，并適用于所有電機種類。
展開 
非軸對稱的磁路仿真
目前用的比較多的是Ansoft Maxwell（屬于Ansys公司），以及COMSOL Multiphysics。 Ansys本身也有一個靜磁場求解模塊，不過功能較弱，用的較少。
Ansoft Maxwell
3維模擬需要先切開剖面，定義好電流流入和流出的截面。可以通過通入1A電流，計算線圈受力來得到Bl值。
Mawell可以同時兩種方式來計算線圈受力。一種是體積分得到的洛倫茲力，一種是有限元常用的虛功法。如果兩種方法計算得到的力接近，基本上可以認為求解收斂。
對比2維計算，已增加鐵盆架模型，使求解更加精確。
Comsol Multiphysics
Comsol的大體操作思路和Ansoft Maxwell是一樣的，也需要將音圈切開，定義好電流流入邊界和流出邊界。
不過comsol沒法自動計算線圈受的洛倫茲力，需要自行定義一個曲線坐標。
第一基矢為電流流線，第二基矢為線圈軸向，第三基矢為線圈法向。
更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，請關(guān)注微信訂閱號：揚聲器系統(tǒng)設(shè)計與仿真
展開 案例-Ansoft Maxwell燃油電磁閥電磁鐵的環(huán)境溫度影響特性
利用有限元軟件 Ansoft Maxwell對由線圈和銜鐵構(gòu)成的電-機械轉(zhuǎn)換器進行了數(shù)值模擬，得到不同環(huán)境溫度下電磁鐵磁感應強度分布及系統(tǒng)關(guān)鍵響應 指標，研究了閥啟閉過程的靜態(tài)和動態(tài)特性。分析在額定工作狀態(tài)下環(huán)境溫度對電磁鐵磁場分布和響應特性的影響，獲得不同環(huán)境溫度下的線圈電流、電磁力、銜鐵速度及位移的變化和響應規(guī)律。
基于電磁力和動態(tài)響應分析某直動式2位2通燃油開關(guān)電磁閥在不同環(huán)境溫度下的輸出特性及 內(nèi)在機理，研究環(huán)境溫度對電磁閥驅(qū)動裝置的影響，為電磁閥的優(yōu)化設(shè)計提供參考。
1 原理與數(shù)學模型
1.1 構(gòu)成原理
某燃油開關(guān)電磁閥結(jié) 構(gòu)如圖 1 所示。電磁閥主 要由閥體、線圈、彈簧、銜 鐵和閥芯（圖中連為一體） 等組成。當電磁閥通電時，磁 路中產(chǎn)生電磁力使銜鐵克 服彈簧阻力、油液壓力和 摩擦力向上移動，閥開啟使燃油介質(zhì)流通；當電磁閥 斷電時，磁路中產(chǎn)生的電磁力消失，銜鐵在彈簧復位 力的作用下向下移動至閥關(guān)閉。
圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)
1.2 數(shù)學模型
電磁閥是電、磁、機、液的非線性耦合體，其工作過程就是四者相互作用的過程。
同樣案例分享對原理性方程不做過多介紹，主要應用以下方程：電路方程、磁路方程、運動方程、流量方程、以及溫度與線圈磁動勢關(guān)系方程。
電磁力大小與磁動勢、氣隙 長度及磁路截面積有關(guān)，而磁動勢受環(huán)境溫度影響。上述方程雖能表達電磁力隨環(huán)境溫度變化的機理，但無法描述電磁鐵結(jié)構(gòu)對工作氣隙及附近磁場的影響， 難以獲得準確的電磁力，開展特定電磁鐵結(jié)構(gòu)下的電磁場建模與仿真，獲得溫度對磁場分布的影響，繼而分析其對電磁力的影響機理，為電磁閥及其驅(qū)動電源設(shè)計提供必要的理論參考。
展開 Statik.2003-ISO 1CD(德國的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析軟件)
產(chǎn)品:
Ansoft Designer v3.0-ISO 1CD(射頻通信和高速通信仿真軟件)
Ansoft Designer and Nexxim 2.2.0-ISO 1CD(第一個將高頻電路系統(tǒng),版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個
環(huán)境的設(shè)計工具)
Ansoft Ensemble v8.0.sub100(多層平面電磁場仿真軟件)
Ansoft Ephysics v1.0 1CD(Maxwell的一個插件,包括各種學科的分析環(huán)境,專為設(shè)計高性能的電磁組件的工程師設(shè)計)
Ansoft HFSS v10-ISO 1CD(HF/RM/EM,世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件)
Ansoft HFSS 9.2 三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件-英文用戶指南(55.8MB)
Ansoft Scap v5.5(Ansoft HFSS V9.1的圖示捕獲工具)
Ansoft Link 3.0-ISO 1CD
Ansoft Maxwell 3D.2D.&.RMxprt.v11.1-ISO 1CD
Ansoft Maxwell 2D Version 8 3D V6
Ansoft Maxwell EM v10.0 1CD
Ansoft Maxwell EM Products v9.0-ISO 1CD(包括Maxwell 2D&3D v9.0)
Ansoft Maxwell RMxprt 5.0-ISO 1CD
Ansoft Maxwell Spicelink v4.5
Ansoft Maxwell SV
Ansoft
展開 1 Q：怎么修改ansoft maxwell的默認保存路徑 再用ansoft maxwell 12時，最開始設(shè)置了默認路徑，但其中包含漢字
A：保存路徑是不可以包含中文的，安裝成功后更改路徑的方法是：tools->option->general option->project option ,修改下面的路徑就可以了。
2 Q：主從邊界條件問題（http://bbs.simol.cn/thread-48988-1-1.html）
A: 1，能夠使用全模型，最好使用全模型，因為這樣誤差最小；
2，瞬態(tài)場計算時一定要選擇SYMMETRY MULTIPLIER設(shè)置來加倍；
3，靜態(tài)場和渦流場，不能設(shè)置SYMMETRY MULTIPLIER，所以相關(guān)的參數(shù)需要自己根據(jù)相關(guān)的物理概念進行后處理。例如：計算四分之一電感時，（電感正比與磁通截面，反比于磁路的長度），假設(shè)你的模型磁通截面積和全模型一樣，磁路長度是全模型的四分之一，那么全模型的電感就等于你算出來的結(jié)果的4倍；反之就是計算結(jié)果的四分之一。“電感正比與磁通截面，反比于磁路的長度”這個原則適用于主從邊界以及奇偶邊界；
另外大家在設(shè)置激勵源的時候，要特別注意:
1，設(shè)置電流源時，總安匝數(shù)100，如果通電截面被剖分成原來的四分之一，那么就需要設(shè)置為25；
2，設(shè)置100V的電壓源的時候，就要考慮通電環(huán)路的長度。如果環(huán)路是總環(huán)路的四分之一，電壓源就要設(shè)置為25V.
展開 ANSYS Workbench與Ansoft Maxwell 電磁結(jié)構(gòu)耦合
ANSYS Workbench 與 Maxwell電磁結(jié)構(gòu)耦合-Step1-5.doc
Step6-8.doc
Step9-17.doc
step18-20.doc
Step21-23.doc
Ansoft產(chǎn)品 > Maxwell 3D
向?qū)降挠脩艚缑妗⒕闰?qū)動的自適應剖分技術(shù)和強大的后處理器時的Maxwell 3D成為業(yè)界最佳的高性能三維電磁設(shè)計軟件。可以分析渦流、位移電流、集膚效應和鄰近效應具有不可忽視作用的系統(tǒng)，得到電機、母線、變壓器、線圈等電磁部件的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗（R和L）、力、轉(zhuǎn)矩、電感、儲能等參數(shù)可以自動計算。同時也可以給出整個相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度、溫度分布等圖形結(jié)果。
Maxwell 3D產(chǎn)品功能詳情
來自Ansoft中國
非線性磁鐵仿真參數(shù)定義
Ansys workbench中定義線性磁鐵，通過矯頑力Hc和剩余磁通密度Br
Ansys workbench中定義非線性磁鐵，通過退磁曲線
Femm中也是可以通過退磁曲線來定義的
更不用說專業(yè)的磁場仿真軟件Ansoft Maxwell之類的軟件了，各種類型的參數(shù)模型輸入均可。
在個人使用過的磁場仿真軟件中，唯有Comsol比較奇葩。只能通過相對磁導率μr，和剩余磁通密度Br來定義磁鐵參數(shù)。 一般會指定一個相對磁導率μr來進行計算。
不用退磁曲線來定義非線性磁鐵計算應該會有所偏差。 同樣的剩余磁通密度，矯頑力越大，對整個揚聲器的Bl值是略有提升的。
當然也有可能是我不熟悉Comsol中的真正用法，歡迎指正。
展開 
Ansoft Maxwell穩(wěn)態(tài)磁場求解器仿真實例
上期給大家分享了怎樣將Maxwell集成到ANSYS WB中，本期給大家分享下最近筆者學習做的一個小案例（Maxwell 高手繞行勿噴）。
問題描述：求解一段通有100A電流的銅導線在穩(wěn)定磁場中的受力情況。磁場由永磁體產(chǎn)生。磁性材料為材料庫中的NdFe35。磁性材料屬性如下定義（X方向磁化）。
模型圖如下。其中紅色框線為求解區(qū)域。
注：磁體外部磁感線設(shè)置方向是從+X面出發(fā)垂直穿過導線進入-X面。即+X面是N極，-X面為S極。
Maxwell前處理
求解樹如下圖：
Boundaries邊界條件：這里邊界條件未指定，系統(tǒng)自動選取默認邊界條件加載到物體外邊界。
Excitations激勵：在導線兩個端面加載100A穩(wěn)定電流，兩端面電流大小方向均一致都流向+Y方向（注意斷開導體端面需與求解區(qū)域表面重合，否則無法計算）
Parameters參數(shù)：選中通電導線然后添加Force力參數(shù)。
Mesh operations網(wǎng)格劃分：右擊鼠標選擇Assigned>Inside selection>Length based… 其中導線劃分尺寸為0.5mm，磁鐵劃分尺寸3mm。
Analysis分析設(shè)置：這里直接添加分析設(shè)置默認即可。
結(jié)果查看：
鼠標右擊Result選擇Solution data得到如下結(jié)果窗口。
安培力大小為Fz=0.57657N（+Z方向）
理論驗證：
根據(jù)安培定律F=BIL可知通電導線受力大小為磁感應強度B*電流*導體長度。受力方向可根據(jù)左手定則確定。
選中銅導線右擊云圖按鈕Field overlays>Field>B>B_Vector 查看導線處磁場強度H，磁感應強度B
導線磁場強度H
導線磁感應強度B
上面B、H云圖的中間數(shù)值之比恰好與真空中的磁導率接近。
展開 揚聲器仿真高階應用】Bl(x)和激勵頻率的關(guān)系，兼論另一種揚聲器低頻失真仿真方法
可以采用Comsol或者Ansoft Maxwell軟件（屬于Ansys公司）來進行仿真。
為減少計算規(guī)模，且只考慮揚聲器低頻段。在軟件中仿真磁路，同時耦合運動微分方程，導入Kms（x）的曲線。 需要采用移動網(wǎng)格，否則很難收斂。
得到幅值1A，100Hz的激勵電流下的Bl（x）循環(huán)。可以看到Bl（x）上下循環(huán)時變化較小，也就是運動過程中感應電流對磁場影響很小。
由此，也可以衍生出另一種揚聲器低頻失真仿真的方法。
得到位移的時域曲線
做快速傅里葉變換FFT。可以計算二次/三次諧波失真，最大位移，直流偏移等。如下圖100Hz的激勵信號，200Hz和300Hz的幅值/100Hz的幅值就是二次/三次諧波失真的數(shù)值。
歡迎關(guān)注微信公眾號：揚聲器系統(tǒng)設(shè)計與仿真
展開 基于Ansoft Maxwell 的電機氣隙徑向磁密求取
氣隙徑向磁密求取是最基本的軟件操作，官方文檔上本有這部分的講解，但因為這個問題依舊被不斷問起，故本人寫了一個粗糙的文檔，希望能對大家有所幫助，寫的時間倉促，本人水平亦平平，定有許多不當乃至錯誤，歡迎您的指正與指導。
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關(guān)于Ansoft maxwell中轉(zhuǎn)子初始位置角及激勵源初始相位角的說明【forlink團隊原創(chuàng)】
6、附件為基于Ansoft 14版本，電勵磁同步電動機和發(fā)電機rmxprt及maxwell模型。在轉(zhuǎn)子初始位置角及電壓源初始相位角匹配的前提下，分別設(shè)置了兩組不同轉(zhuǎn)子初始位置角及相應的電壓源初始相位角，仿真結(jié)果表明，本貼研究結(jié)論正確。
歡迎大家跟帖發(fā)表見解。
