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Ansoft瞬态磁场计算（未考虑外电路）总结整理：于德国Kassel大学目录1、说明2、电机额定运行时的瞬态场分析与计算2.1SetupBoundaries/source（重点考虑SourceSetup）2.2SetupSolution选择[SetupSolution]|[Options]2.3SetupSolution选择[SetupSolution]|[MotionSetup]2.4Solve|NominalProblem2.5PostProcessPostPress/Transistantdate：计算平均输出功率：AverageOutputPower计算相电流有效值：计算输入电功率，由此可以计算效率PostProcessPostProcess/field：2.6.1齿部磁密分布和磁密平均值计算2.6.1.1齿部磁密分布2.6.1.2齿部磁密平均值计算2.6.1.3沿齿弧磁密分布和沿齿磁密分布的差异2.6.2定子轭部磁密分布和磁密平均值2.6.3定子轭部磁密分布和磁密平均值2.6.4气隙磁密分布和磁密最大值3、电机空载额定转速运行时的瞬态场分析与计算3.1SetupBoundaries/source（重点考虑SourceSetup）3.2SetupSolution选择[SetupSolution]|[Options]3.3SetupSolution选择[SetupSolution]|[MotionSetup]3.4计算结果4、考虑铁耗的计算结果4.1铁耗计算设置4.2额定负载时考虑与不考虑铁耗时的比较4.3负载很小时的比较4.3.1考虑铁耗时4.3.2不考虑铁耗时5、Maxwell与RmxPrt计算结果比较5.1磁密及额定值比较5.2额定转速时永磁相电势比较5.3气隙磁密分布6、其他心得1、说明以16极36槽调速永磁同步电动机为例进行分析电机的瞬态场计算，电机由RmxPrt开始，并将该模型加到MAXWELL11中。RmxPrt的项目为ad_pmsm(MaxwellFile22KB)，Maxwell中的项目为ad_pmsm_fem.pjt。2、电机额定运行时的瞬态场分析与计算2.1SetupBoundaries/source（重点考虑SourceSetup）A_phase绕组源的设置：选择A相绕组；使用[Assign]|[Source]|[Solid]；指定[Solid]为Voltage，[Name]改为A_Phase；选择[Options]，将源的形式[Constant]改为[Function]；选择[Function]；选择[Add]，在函数输入框“=”的左边输入U_Phase_A，“=”的右边输入（显然，B相应为：，C相应为）指定[Done]回到2DBoundary/SourceManager在[Value]框内输入U_Phase_A；选择[Strand]；选择[Winding]，出现[WindingSetup]指定[PhA]为[Positive]，[PhReA]为[Negative]；在[Resistance]框内输入相绕组电阻15.42(，在[Inductance]框内输入绕组端部漏感0.00112H（在RMxPrt中有该值的输出结果）；在[Totalturnsasseenfromterminal]框内输入每相串联匝数684；在[NumberofParallelBranches]输入并联支路数1；选择[OK]退回2DBoundary/SourceManager指定[Assign]------同样给出A_phase、B_phase绕组源的设置选择[File]|[Save]与[File]|[Exit]，保存并退出边界条件编辑器2.2SetupSolution选择[SetupSolution]|[Options]选择[ManualMesh…](进行自定义剖分，略)；在进行完ManualMesh后必需的一步是Mesh/LineMatch，选择主、从边界的边，toensurethatthemeshingpointswillmatchattheirmatchingboundaries.Iftheydonnot,youwillreceiveanerrormessageaboutamissingtranscriptfileduringthenormalsolution.在[SolberChoice]选择中，选DirectForproblemwherealloftheboundariesarewelldefined,thedirectsolveristhebestchoiceTransientanalysisi、Solution:Startfromtimezero在开始时，还没有任何解，因此只能选择Startf
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Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比
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Ansoft瞬态场计算步骤及与RMxprt的结果对比
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3秒自动关闭窗口基于Ansoft的永磁同步发电机建模与仿真；朱少林?王群京；合肥工业大学（230009）；ModelingandSimulationofP；ZhuShaolinWangQunjingHef；??摘??要：利用Ansoft软件中的RMxpr；真技术的不断发展，可以直接使用有限元方法对电机的；本文将应用Ansoft公司的RMxprt和Max；模块建立了永磁同步发
基于Ansoft的永磁同步发电机建模与仿真
朱少林?王群京
合肥工业大学（230009）
Modeling and Simulation of Permanent-magnet Synchronous Generator Based on Ansoft
Zhu Shaolin Wang QunjingHefei University of Technology
??摘??要：利用Ansoft软件中的RMxprt和Maxwell 2D
真技术的不断发展，可以直接使用有限元方法对电机的电磁场进行分析和计算，从而获得更加精确的计算结果。
本文将应用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell2D软件模块来建立一个永磁同步发电机模型，并对该电机模型的瞬态性能进行仿真，通过仿真结果来评估所设计的电机。这里只研究平行平面场问题，即二维电磁场，因而只有一个自由度即矢量磁势。仿真结果对永磁同步发电机的进一步优化设计提供了理论依据。
模块建立了永磁同步发电机（PMSG）的系统仿真模型。通过对PMSG模型进行瞬态仿真，得到它的反电动势曲线、相电流曲线以及气隙磁密分布曲线。仿真结果为永磁同步发电机的进一步优化设计提供了理论依据。??
关键词：永磁同步发电机 Ansoft 瞬态仿真Abstract: A simulation model of permanent-magnet
synchronous generator（PMSG）was presented using RMxprt and Maxwell 2D module of Ansoft．The back-emf curve，phase current curve and distribution of the air gap magnetic flux density curve were obtained by the transient simulation on the PMSG．The results of simulation provided theoretical foundation for the optimization design of PMSG.
Keywords: PMSG Ansoft Transient simulation
1 位函数的引入及其满足的偏微分方程
在分析磁场问题时，为了求出场量与场源之
与电励磁同步发电机相比，永磁同步发电机
具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是铷铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步发电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得了越来越广泛的应用。
传统电机设计中，习惯把电机的分析和计算归结为电路和磁路的计算问题，实际上，电路和磁路中的各个参数是由电机电磁场的场量得来的，对于磁路结构复杂的永磁电机，这种方法难以得到准确的磁路计算结果。随着数值计算和仿
间的关系，通常引进位函数作为辅助变量，以减少变量数或使物理概念更加清晰。通常求解区域内存在电流，需要引入矢量磁位A，它是空间坐标的函数。磁感应强度与矢量磁位之间满足：
B=A 则有：
B1―=（―（×A）=J0 ）×H=μμ（×A）=μJ0 ×利用恒等式
A）-（×A）=×得：
J0为电流密度，式中：又有：
Maxwell 2D中，再用Maxwell 2D中的瞬态模块进行有限元计算，本文采用后者。求解时利用了Ansoft软件可以定义外加电路的特点，建立了永磁同步发电机外电路模型，与电机本体模型构成
Jo=Jxi+ 在直角坐标系中，有A=Axi+Ayj+Azk，Ax=-μJx
Jyj+Jzk，式（6）可分解为以下3个标量方程
了一个完整的系统，进行仿真。2.1 电机基本参数
采用一个20对极三相永磁同步发电机为模型：双层短距绕组，并联支路数为2，定子绕组星型连接，定子72槽，转子为切向式结构，额定功率20kVA，额定电压440V，额定转速160r/min。2.2 电机模型的建立
用Ansoft软件建立此永磁同步发电机二维（1）把永磁同步发电机的几何尺寸和基本有限元模型的具体过程如下：
参数输入RMxprt模块，软件对所输入项进行求解，自动生成二维有限元几何模型，如图1所示。
（2）将求解结果用export 2D project功能生成pjt文件，把该文件导入Maxwell 2D中，采用瞬态模块进行二维有限元分析。
（3）在生成的几何模型里定义电机的材料属性、边界条件和绕组的激励源，其中定义绕组
求得矢量磁位的各个分量后，便可得到磁感?Az?Ay
?y?z?Ax?AzBy=―-―
?z?x?Ay?Ax
对于平行平面场，电流密度和矢量磁位只有
应强度的各个分量：
A=Azk，J0=Jzk，z方向分量，可采用二维场求解，磁场只有x和y方向两个分量，则式（6）简化为：
由此可知，磁场的分析可归结为以位函数为
-2z=-μJz z=―2―
这是关于Az的泊松方程，磁感应强度各分量
激励源时采用外电路输入的方法。
（4）确定运动界限（band）、转子转速、有限元分析的时间步长以及有限元分析的网格划分情况等。
变量的偏微分方程的求解，但式（6）只是一个描述普遍规律的方程，有无穷多个解，不能唯一地确定具体的物理过程，必须确定边界条件才能使其解唯一。本论文所涉及的是电机磁场问题，由于绝大部分磁通都在电机内，通常取电机的外壳作为边界，满足第一类齐次边界条件，即规定边界上Az=0。
图1 永磁同步发电机几何模型
2.3 永磁同步发电机外电路的设计
2 永磁同步发电机有限元模型的建立
用Ansoft软件作为仿真工具进行电机建模
本文建立了一个独立的发电机系统，通过一
个三相不可控整流电路将发出的交流电转变为直流电储存在蓄电池中，这一系统的建立是通过外电路来完成的。图2所示的外电路中，由一个电感D1~D6为和一个电阻串联起来等效为一相绕组，二极管。
时，可以在Maxwell 2D模块里面直接建模完成，也可以把永磁同步发电机基本参数放入Ansoft RMxprt中生成二维模型，然后将模型导入
Js―电流密度。
瞬态求解器使用一个参考框架，固定在模
型某一部分使速度为0。运动物体固定在自身坐标系，偏时间导数变成的全时间导数，因而运动方程变为：
×ν×A=Js-σ―-σ+Hc
从而在每一时间段有限元模型中每一点都Ansoft中的瞬态求解器对永磁同步发电机
图2 带外电路的PMSG仿真系统结构
模型进行求解可以得到每相反电动势、相电流、Ansoft还具有强大的后处理功能，转矩等曲线。
通过后处理器能得到相电流的有效值，利用后处理器中的场计算器还可以求出气隙磁密的平均值。图5为永磁同步发电机B相绕组的反电动势波形，图6为B相绕组的电流波形，由于换向原因，两图中都有明显的波动现象。图7沿气隙磁密分布（1/6圆周）曲线，该曲线是通过Maxwell后处理功能得来的，可以看到齿槽效应对气隙磁密的影响，通过后处理可以求出气隙平均磁密为0.7334T，基本满足了设计要求。
Back EMF vs Time
2.4 模型的网格剖分
有限元法应用于电磁场的实质就是把连续的电磁场问题变为离散系统的问题来求解，电机模型的离散化就是通过网格剖分来实现的，它直接影响有限元计算结果的精确性。Ansoft具有自适应网格剖分的功能，自适应网格加密技术的前提是网格的自动剖分。自动剖分主要是根据场域的几何结构来进行的，自适应网格剖分是在此基础上根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加其剖分密度的调整。首先对电机模型进行自动剖分，如图3所示，此自动剖分比较稀疏，影响计算的准确性，需要对其加密。理论上网格越密，计算的就越准确，但考虑到计算机资源以及计算时间因素，我们只需要重点加密磁场变化率较大的气隙部分，得到的剖分图如图4所示。
图3 初始化的网格剖分图4 加密处理后的网格剖分
图5 B相反电动势波形
Winding Current vs Time
3 仿真结果及其分析
麦克斯韦方程的微分形式为：
ν×A=Js-σ―-σ+Hc+σν××A （10）
Hc―永磁体的矫顽力；其中：
ν―运动物体的速度； A―磁矢量；
图6 B相电流波形
1 0.90.80.70.60.50.40.30.20.1及电机的反电动势、电流、气隙磁密分布等特性，为永磁同步发电机尺寸、槽型、绕组分布等的进一步优化设计提供了基础。
1 张榴晨，徐 松．有限元法在电磁计算中的应用[M]．中国铁道出1996．版社，
2 王秀和．2007．永磁电机[M]．中国电力出版社，
3 杨丽伟，张奕黄．基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真[J]．电2007．机技术．
4 鲁军勇，梁得亮，丰向阳．基于Ansoft的永磁直线无刷直流电动2004．机的仿真研究[J]．中小型电机，
5 唐任远．1997．现代永磁电机[M]．机械工业出版社，
6 Spooner E．Modular design of permanent-magnet generators for Wind Turbine[J]．IEEE Proceedings of Conference on Electric Power Applications，1996．
）（收稿日期：
1984年生，作者简介：朱少林，男，合肥工业大学在读硕士生，主要研究方向为电机及其控制。
图7 气隙磁密分布曲线
本文利用Ansoft公司的RMXprt和Maxwell
2D模块建立了永磁同步发电机的模型，完成了对永磁同步发电机系统的仿真研究。仿真结果比较准确地反应了永磁同步发电机瞬态运动过程，以
客观看待国内硅钢片市场需求变化
据上海华东钢材市场消息，今年以来国内钢材市
今年1-3月，国内主流钢厂生产冷轧钢卷90.82万吨（尚不包括有的厂生产的冷轧硅钢卷窄带，有的厂生产的半工艺冷轧硅钢卷，还有热轧硅钢片等）与去年同比，净增8.1万吨，增幅为9.8%。今年1-3月共进口27.13万吨，去年同期25.96万吨相比，净增1.17万吨，增幅为4.49%；出口3.5万吨，与去年同期4.71万吨相比，减少了1.21万吨，减幅为25.66%，进口增加，出口减少的资源必须在国内消化，加大了市场的压力。
有些中小企业为消化硅钢片涨价成本压力，在确保产品质量前提下，采用套裁的方法，以条料，边角余料，轴孔料替代整料，开展第二次直至第三次综合利用，它的利用率约在30%-35%之间，估计每年能少消耗硅钢片整料约50万吨左右，实际上节约了社会有效资源，当然也减少了硅钢片整料资源的消耗。
还有一些生产低端产品的电机制造业，以普通钢带（俗称热带、冷带）。替代硅钢片，这对电机质量是有影响的，但这也减少了对硅钢片需求。
随着宏观调控的深化，人民币升值等原因，今年出口机电产品增幅将趋缓，并在下半年显现出来，所以，这些变化将对硅钢片需求产生一定的影响。
场上的冷、热轧硅钢片因受上游原材料涨价的影响，有关钢厂以“成本推动”为由，较大幅度调高了出厂价，对此，市场上反应较为平静，下游企业观望气氛浓厚，市场行情处于“不冷不热”的“温吞水”态姿。尤其是二季度4月份，市场行情虽然稳中有升但无法改变出厂高，市场价格低的“倒挂”行情，使硅钢片流通“陷入困境”，这与有关钢厂调高出厂价时看好后市预期形成了强烈的反差。二季度是下游企业生产旺季，为什么对硅钢片需求未出现“火爆”现象呢？
有关业内人士分析认为：要客观理性看待国内硅钢片市场需求正在发生的变化。较长时间以来，以硅钢片为主要原材料之一的电机、家电产品出口相当旺盛，几乎每年以二位数百份比增长率上升。然而，在2007年电机总产量中：出口电机2157.1万kW，同比增长20.3%，增2008年一季度，速同比反而减慢6.4%。家电出口方面，冰箱共出口404万台，同比增长仅2.5%；出口家用空调器1170万台，同比增长6.6%；洗衣机出口356万台，同比增长11.3%；吸尘器出口1970万台，同比增长3.2%；微波炉出口1046万台，同比下跌5.3%；电风扇出口同比下降15.7%。电机、家电出口增幅趋缓，对硅钢片需求有不同程度的
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电机设计步骤
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电机设计步骤
选择电机类型：Adjust-Speed Synchronous Machine
转子采用内置式，控制类型：交流，Stacking Factor :0.95 。
定、转子材质：steel_1008，图 2-3 所示的是 steel_1008的B-H曲线图。从图 2-3 中可以看出，硅钢片的饱和点在 B 12T。因此电机的各部分磁密幅值因当小于 12T，并且要适当留有一定裕量，以避免电机运行时发生磁饱和。
图 2-3 steel_1008的B-H 曲线图
槽型选择平行齿梨形槽，如图所示：
参数 数值 单位
定子外径 270 mm
定子内经 162 mm
轴向长度 84 mm
气隙厚度 mm
转子外径 160.4 mm
转子内经 110 mm
永磁体厚度 7.5 mm
每槽导体数 8
绕组层数 2
额定电压 200 V
额定功率 50 kW
额定转数 3600 rpm
线圈节距 5
绕组参数：线径：0.91mm
极类型：embrace：0.85
磁体类型：NdFe30.
以上参数设置好后，点击Analysis下的Solution Setup ，进行额定功率，额定电压，额定转速，工作温度等的设置。
然后点击Validate，再点击Analysis All,然后点击Analysis下的Setup1，右击，选择Create Maxwell Design ，点击OK，生成的Maxwell Design 如下图所示：
用Ansoft软件建立此永磁同步发电机二维有限元模型的具体过程如下：
（1）把永磁同步发电机的几何尺寸和基本参数输入RMxprt模块，软件对所输入项进行求解，自动生成二维有限元几何模型，如图1所示。
（2）将求解结果用export 2D project功能生成pjt文件，把该文件导入Maxwell 2D中，采用瞬态模块进行二维有限元分析。
（3）在生成的几何模型里定义电机的材料属性、边界条件和绕组的激励源，其中定义绕组激励源时采用外电路输入的方法。
（4）确定运动界限（band）、转子转速、有限元分析的时间步长以及有限元分析的网格划分情况等。
永磁同步发电机的几
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