電機電磁設計分析，Ansoft maxwell的案例
基于Ansoft Maxwell的永磁直流空心杯電機有限元分析
摘 要：永磁直流空心杯電機是空心杯電機的一種，體積小重量輕、轉動慣量小、工作效率高、功率密度高，在航空航天及國防軍事裝備領域得到廣泛的應用。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，進行網格剖分、材料賦予及激勵源等設置。求解并分析模型在穩態的磁場分布及瞬態的輸出特性，為電機的設計與優化提供參考依據。
關鍵詞：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、轉動慣量小、工作效率高等優點被廣泛應用于軍事國防領域[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的天龍號同樣配置了空心杯電機。與國外電機制造業相比，國內在設計專業程度方面和制造良品率方面有一定的差距，導致國內生產的空心杯電機不及國外知名企業的同類型電機。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、劃分網格、賦予材料屬性及設置激勵源，對電機穩態磁場情況及瞬態工作情況進行分析，確定電機磁場強度、氣隙磁密、輸出轉矩、轉速等情況。
1 永磁直流空心杯電機的結構與原理
永磁直流空心杯電機的特點是轉子無鐵心，也稱為空心杯轉子。該類電機帶有電刷、換向器，定子采用稀土磁鋼產生激磁磁場，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矩，從而使電機以一定的轉速工作。
展開 【5月24-27日 北京】Maxwell電機電磁設計及參數優化仿真
背景
電機電磁方案設計是電機設計中最重要部分，特別是現在原材料成本壓力越來越大，企業對電機的成本控制更加嚴格，對于電機工程師來說需要更高電機設計的要求，以前我們進行電機設計往往通過手算結果再加上經驗修正，手算加經驗往往需要許多年積累并且計算量大，造成時間成本非常高，從而造成產品成本高，造成公司競爭力下降，特別現在產品設計往往要求時間更短和產品更優，近十年有限元等數值模擬方法計算的成熟，電機電磁方案設計完全可以借用有限元軟件仿真得到更好的方案，時間成本更低，除此之外還有能全面考核電機電磁場情況等優點，新一代電機工程師掌握一種仿真軟件是必要的技能，提升自身競爭力的有力說服力。
ANSYS Maxwell是現下優秀電磁場分析軟件，電機是它的最主要應用領域之一，它針對電機行業推出路算模塊，2D和3D模型有限元模塊，UDO、Toolkit等插件，還有內置電路編輯器等方面，它基本能滿足現下所有電機類型電磁設計工作。為能讓電機工程師提升電機仿真能力，快速設計高性能電機，掌握軟件的各項功能用于電機設計工作去。特舉辦“Maxwell電機電磁設計及參數優化仿真”培訓。詳情請參見第四部分“內容大綱”。
時間地點
時間：2019年5月24日-5月27日（第一天報到，授課3天）
地點：北京
主講專家
該課程講師，具有12年電磁工程仿真分析經驗，具備電磁熱等多物理場耦合仿真分析能力，一直對外提供技術咨詢服務，扎實的電磁和數值計算理論基礎；熟練掌握ANSYS EM、Workbench、Matlab等軟件，有變壓器電磁和磁熱仿真、電機電磁、磁熱和電磁振動噪聲仿真、耦合器電磁仿真、電磁銜鐵機構電磁仿真等項目經驗。培訓40多場次，學員上千人。
內容大綱
報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
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2 電磁結構模型建立
利用Maxwell有限元原理分析電機電磁方案的模型建立一般有以下3種方式：
1、利用RMxprt功能建立；如果通過RMxprt一鍵生成Maxwell，適用于是一些常用的定轉子結構，不利于復雜轉子結構建立，也可以在Maxwell界面直接用UDP建模，這功能與RMxprt一鍵生成類似，區別在于用UDP僅是建立模型，而RMxprt一鍵生成見則會自動建立完整的場算文件;如果涉及到RMprt里沒有的定轉子結構，我們一般先生成有的定轉子結構，然后再借用自帶畫圖功能把缺失部分建立。
2、利用Maxwell畫圖功能建立；建模能力比較有限并且比較麻煩，常常需要詳細結構尺寸坐標，建模Maxwell不是它的主要功能，而是附加功能，用此種方法建立的模型可以實現結構尺寸優化分析。
3、利用市場其它畫圖軟件建好再導入；這種方法適用于已確認電磁結構的，用于進一步場算確認的，如果需要優化結構的則不適用。
除了以上3種，還有一種就是在ANSYS Workbench平臺，使用DM或者SPDC建模模塊實現Maxwell動態鏈接，既可以快速方便建立復雜電磁結構模型也可以實現電磁結構尺寸優化，前提必須基于Workbench平臺。
圖3 電磁結構圖
3 驅動電機空載分析
空載分析主要得到僅在磁鋼作用產生的磁場結果，這里重點關注徑向磁場波形及諧波結果，另外反電動勢波形及諧波情況也是重點關注之一。
展開 永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
永磁電機電磁（Maxwell）、熱（Fluent）耦合分析流
ANSYS x CYBERNET Maxwell應用于車用電機實務設計分析研討會
作為電動車動力核心的動力系統，良好的動力特性與質量有賴于馬達的設計與驅動系統的匹配。
車用電機的設計有別于傳統電機設計，并非單一轉速與扭矩的動力特性表現，而是廣速域、變動扭矩操作的綜合特性表現設計。除了輸出特性的追求，高效率、高功率密度、低成本更是電動動力馬達的重要指標，因此，利用有限元素分析軟件輔助電機設計，在制造前分析其扭矩、效率、電感、損耗等，進行優化設計、預估弱磁特性、磁鐵退磁特性、溫度與應力對電磁特性的影響等，已是電機設計的必要流程。
本活動講師陣容包括ANSYS原廠電機系統專家、曾任職于工研院車輛組之馬達電機專家藍亦維、ANSYS公司低頻產品高級應用工程師譚洪濤等資深專業講師，主題涵蓋車用電機的發展趨勢與需求、電機有限元素的設計分析流程，以及系統整合設計分析方案等，可讓設計者了解完整車用電機設計流程以及更快速使用ANSYS軟件高效率地設計車用馬達。
會議信息
費用：免費
日期：2019年8月29日 9:30-15:30
地點：永新廣場16樓，上海市黃浦區南京西路128號
演講技術專家
譚洪濤 ANSYS公司低頻產品高級應用工程師
電機與電器專業碩士畢業，畢業后從事電機設計工作，后于2007底加入ANSOFT中國，2008年隨ANSOFT公司并入ANSYS公司，擔任技術工程師至今，負責ANSYS機電產品的的售前和售后技術支持、市場推廣等。
藍亦維 馬達電機專家 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD.
曾任工研院機械所智能車輛組電能系統部副經理，進行電機產品開發與計劃管理；及電磁、結構、熱傳軟件應用分析團隊管理。專職于電磁分析、電機設計、車用動力系統開發、計劃與部門管理等。
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