Electric Motor Design Simulation

  工程师设计电机时需要采用仿真工具进行快速精确的产品开发。通过在设计过程早期利用有限元法,他们可加快开发速度,使用更少的材料实现更高机械效率,从而降低成本。此外,要实现最佳电动机设计,需要完整的多物理场分析工作流程。如果假设机器能够保持在要求的运行范围内,这样做的后果是可能导致设计选择不佳,在开发过程晚期重新设计,或者出现产品故障。ANSYS的电机设计流程提供用于机器设计与开发的完整的虚拟原型设计实验室。

  电机设计是一个复杂的多物理场问题,它涉及到电磁、结构、流体、温度和控制等多个领域。随着新材料、新工艺以及各种电机新技术的发展,电机设计的要求越来越苛刻,精度要求也越来越高,传统的设计方法和手段已经不能满足现代电机设计的要求,必须借助于现代仿真技术才能解决各种设计难题。

  针对电机永磁化、高速化、无刷化、数字化、集成化、智能化、高效节能化的发展趋势和相关技术挑战,ANSYS能提供集成化设计解决方案和流程,高效实现电机从磁路法到有限元、从部件到系统、从电磁到多物理场耦合的多领域、多层次、集成化电机及驱动/控制系统设计。

  一款电磁场求解器,适用于电机、变压器、作动器和其他机电设备。该求解器可以处理静态、频域及时变电场。

  一款基于模板的设计工具,可在整个转矩-速度工作范围内对电动机进行快速的多物理场分析,以便优化其性能、效率和尺寸。

  一款有限元分析 (FEA) 解决方案套件,可为广泛的结构分析需求提供针对结构和耦合场行为的深入分析。

  这款强大的计算流体动力学 (CFD) 工具可快速提供准确结果,其应用范围广泛,涵盖各种 CFD 和多物理场应用场景。使用全新Fluent体验,可在更短时间内完成更多任务,所需培训时间也更短。

  内置式永磁同步电机(IPM电机)是一款具有宽泛工作范围的高效率电机;这种电机采用磁力非常强的稀土烧结永磁材料,除了磁体磁场和旋转磁场产生的永磁力矩之外,还使用由d轴和q轴电感差产生的磁阻转矩。由于效率随转数与负载的改变而相应变化,因而在电机设计与控制设计工作中常采用效率图的形式指导作为标准目录中的性能指标,使效率性能一览无余。然而,在设计IPM电机时,通常需要进行大量的计算,才能根据旋转次数和负载改变控制方法(id=0控制,最大转矩控制,磁场弱化控制等)并描述出效率图,因此也需要花时间整理结果。

  ANSYS Maxwell的电机设计工具套件(Electric Machine Design Toolkit)是一款电机分析支持工具,能够全自动执行PM电机的效率图计算和速度-转矩特性分析,并通过效率图图形的显示功能显著加速研发进程。此外,该工具还与集群型分布式计算机处理(*可选)系统相兼容,凭借从效率图计算一直到图形输出的高度可扩展性,可针对成千上万个案例研究执行高速计算。

  内置式永磁同步电机(IPM电机)是一款具有宽泛工作范围的高效率电机;这种电机采用磁力非常强的稀土烧结永磁材料,除了磁体磁场和旋转磁场产生的永磁力矩之外,还使用由d轴和q轴电感差产生的磁阻转矩。

  一般来说,电机的大多数控制设计和设备设计均采用独立设计组件的流程,但采用这种设计流程存在的技术挑战之一就是难以协调旨在优化整个系统的设计。

  但是,通过电磁场分析工具ANSYS Maxwell和控制电路系统仿真器ANSYS Simplorer(ANSYS的产品)的耦合分析,这一挑战就能迎刃而解。主要有两种技术可将电磁场分析与电路分析相关联,那就是协同仿真,能瞬时执行直接耦合和基于模型的仿真,将电磁场分析生成的等效模型(行为模型)作为电路分析中的一个单元来处理;然而,利用ANSYS Maxwell和ANSYS Simplorer,则能根据用户需求采用这两种技术中的任意一种来执行系统级仿真。

  无论采用哪种技术,都能执行控制的耦合仿真,以便考虑到电机的空间谐波和磁饱和特性。协同仿真能兼顾考虑到高精度仿真磁芯损耗等损耗现象,同时基于模型的仿真还能实现超高速的控制仿真。

  Maxwell和Simplorer均为ANSYS研发的产品,与结合了其他公司所创建工具的解决方案相比,这两款产品具有两大优势:内含支持系统,同时具有兼容性,易于工具协调,理想适用于耦合分析。

  内置式永磁同步电机(IPM电机)是一款具有宽泛工作范围的高效率电机;这种电机采用磁力非常强大的稀土烧结永磁材料,除了磁体磁场和旋转磁场产生的永磁力矩之外,还使用由d轴和q轴电感差产生的磁阻转矩。

  IPM电机的一大优势在于生成的转矩作为磁力矩的同时,还可通过使用转子凸极上的磁阻转矩进行改善;为了评估这种凸极性,在设计阶段掌握d轴和q轴上的电感特性至关重要。

  此外,ANSYS Maxwell电机分析还能计算出瞬态响应的电感值,而普遍采用的感应电动势电感测量法则难以企及。使用标准函数,通过简单运算,即可计算出三相电感以及d轴和q轴电感。

  内置式永磁同步电机(IPM电机)是一款具有宽泛工作范围的高效率电机;这种电机采用磁力非常强大的稀土烧结永磁材料,除了磁体磁场和旋转磁场产生的永磁力矩之外,还使用由d轴和q轴电感差产生的磁阻转矩。

  IPM电机采用将磁体嵌入在转子内的模型,并经过设计可与各种转子形状相配。需要选择相应的形状来匹配目标规范。通过利用ANSYS RMxprt准备一个粗略设计,再指定形状,然后使用ANSYS Maxwell最终确定详细设计,由此实现高效的电机设计便十拿九稳。

  内置式永磁同步电机(IPM电机)是一款具有宽泛工作范围的高效率电机;这种电机采用磁力非常强大的稀土烧结永磁材料,除了磁体磁场和旋转磁场产生的永磁力矩之外,还使用由d轴和q轴电感差产生的磁阻转矩。

  在具有宽泛的转速区域并使用磁阻转矩的矢量系统中,将含有载波谐波的电流输入线圈。在磁体中由高长波分量[sic,谐波分量?]生成涡电流损耗。

  将磁体分割能有效将该损耗降到最低。利用ANSYS Maxwell能估算通过将磁体分割实现的涡电流损耗差值。

  内置式永磁同步电机(IPM电机)是一款具有宽泛工作范围的高效率电机;这种电机采用磁力非常强大的稀土烧结永磁材料,除了磁体磁场和旋转磁场产生的永磁力矩之外,还使用由d轴和q轴电感差产生的磁阻转矩。

  永磁电机中经常使用的钕铁型稀土磁体具有两种属性:一是被称为交链磁通密度的出色磁属性,众所周知,另一种则是非常容易在高温下去磁。

  一般来说,电机的电磁场设计以及热与结构设计均采用独立设计组件的流程,但这种设计流程存在的技术挑战之一就是难以协调旨在用于优化整个系统的设计。但是,多物理场仿真面临的这种挑战通过电磁场分析工具ANSYS Maxwell和热-流体分析软件ANSYS Fluent的耦合分析即可迎刃而解。

  设计工程师现可利用ANSYS Workbench平台轻松执行耦合分析,以解决困扰已久的分析难题。

  ANSYS Maxwell和ANSYS Fluent均为ANSYS研发的产品,与结合了其他公司所创建工具的解决方案相比,这两款产品具有两大优势:内含支持系统,同时具有可实现耦合分析的工具协调兼容性。

  为应对稀土磁体价格的攀升,开关磁阻电机(SR电机)作为不使用永磁体的电机型号被寄予众望。SR电机结构简单且稳健可靠,而且能以较低的成本实现;但其用途却一直受限,原因在于转子和定子的非线性凸极在转矩生成原理上会造成非常大的转矩变化,并伴有振动和噪声。然而,却一直将SR电机视为有可能解决稀土磁体价格暴涨难题的备选技术,通过磁场分析和电流控制技术的改进来实现最佳设计。

  根据旋转速度改变开关时序来驱动SR电机,这有利于根据旋转速度掌握转矩、电流、损耗和效率等特性。

  SPM电机是一种旋转磁场类型的同步电机,在这种形状的电机中,其磁体被层压在旋转体(转子)的表面。这种电机理想适用于控制,因为其具有线性特性,在转矩与电流之间存在良好的关系。

  此外,其形状非常适合输出功率小的小型电机;然而有必要利用有限元法进行磁性分析,以研究旋转(包括齿槽转矩)变化。近几年,随着对微型化及高功率输出的需求不断增长,需要准确分析磁饱和的分布情况,因而磁性分析成为一项重要技术。

  采用永磁体(带磁芯)的电机可设计为小尺寸高输出电机;但存在齿槽转矩缺陷等。

  齿槽转矩受转矩脉动的影响,会对机械振动稳定性、噪声、驱动系统以及产品稳定性产生不利影响。

  但是,齿槽转矩是一种敏感型转矩,实际测量难度大,而且具有很强的非线性,因此设计时使用能实现高精度仿真的电磁场分析工具非常有好处。

  ANSYS电磁场分析是一款优化分析工具,不仅能利用自适应自动网格划分自动生成最佳网格,而且还可用于齿槽转矩的敏感特性分析等。

  过去感应电机广泛用于各种应用领域,从工业应用到家庭应用,无所不包。其工作原理是次级导体通入感应电流后,定子绕组产生旋转磁场,转子则通过电流和旋转磁场接收旋转方向能量,进而驱动电机。这种电机结构简单,具有尺寸小、重量轻、成本低、易于维护等优势。

  为了应对近几年来稀土磁体价格暴涨,研发工作再度如火如荼,旨在研发出小尺寸、高输出和高效率的感应电机,利用这种不使用永磁体的电机型号替代永磁同步电机需求。借助电磁场分析工具,高度精确地评估和了解电机特性,这对此类高性能感应电机的设计与研发大有裨益。

  只需连接直流电源即可驱动具有绕组、磁体和换向器的直流有刷电机,而且转矩和电流之间存在比例关系,因此具有高度可控性。基于这种特性,该电机被用于各种领域,并成为产量最大的电机之一。

  线性电机是一种提供电磁力的电气设备,能使对象产生直接和线性运动;可考虑以线性方式研发的圆柱旋转电机结构。

  线性电机与旋转电机一样具有悠久的历史。近几年,直接驱动成为可能,无需接触即可向被驱动对象施加任意方向的推力;线性电机在定位装置中的应用正在不断增加,这除了其具有高速度、高分辨率、高精度和高可靠性等优异特性外,通过集成伺服控制技术来提高重复定位精度和运动自由度也是主因。

  无芯型是指不使用磁芯的电机类型,在缠绕线圈的部分包含一个电磁钢板。一般而言,这类线性电机没有齿槽转矩,因此常常用在执行更高精度定位的设备中。

  旋转变压器是一种常用于电机等设备中的旋转角度传感器。尽管是一种交流发电机,但它采用两相线圈配置,输出端的绕组方向正交,检测到生成的sin和cos电压与旋转角度成比例,可用模数转换器或类似设备获得旋转角度值。它的配置与旋转编码器相比更简单,适合用在恶劣环境;但它也存在一些缺陷,比如信号处理电路复杂,而且检测精度也不及旋转编码器。

  通过将电磁场分析与ANSYS电路分析相结合,可执行系统仿真(不仅包括旋转变压器体的电磁设计,还包括驱动编码器和电缆),从而实现整个系统的高精度、最佳化协同设计。

  这是一种必要的技术单元,用来在使用大型风力涡轮机进行风力发电时的变速运行过程中相对风速不定期波动来优化发电效率。双馈式感应发电机(DFIG)一般用于采用大型风车的风力涡轮发电机中。

  通过将电磁场分析与ANSYS电路分析相结合,可执行系统仿真(包括用于发电机电磁设计的逆变),从而实现整个系统的高精度、最佳化协同设计。

  为应对稀土磁体的价格暴涨,同步磁阻电机(SynRM)作为一种不使用永磁体的电机型号引起了广泛关注。SynRM电机稳健可靠,结构简单,而且能以较低成本实现。然而,由于只通过线圈和转子凸极的磁化力产生的磁阻转矩,为了增大转矩密度,必须很大程度上依靠非线性磁化特性和磁芯的形状结构,而且它不是最近通常使用的电机类型。不过,SynRM被视为一种有可能解决稀土磁体暴涨问题的备选技术,通过磁场分析和电流控制技术的改进来实现最佳设计。

  SynRM利用电磁钢板的非线性区域来运行,因此会因磁饱和相对于转子位置和电感表现出非线性行为。此外,这还会导致电流波形容易失真。但是,不可能利用计算方法以及线性理论公式获得高精度预测。不过,使用有限元法进行的电磁场分析大有裨益,因为它能处理瞬态电流、详细电机形状以及材料的非线性磁化特性。

  过去感应电机广泛用于各种应用领域,从工业应用到家庭应用,无所不包。其工作原理是次级导体通入感应电流后,定子绕组产生旋转磁场,转子则通过电流和旋转磁场接收旋转方向能量,进而驱动电机。它具有结构简单、尺寸小、重量轻、成本低以及易于维护等优势。

  单相感应电机广泛用于小输出风扇、吊扇等设备中,因为它能由家庭常见的单相交流电源轻松驱动。

  交直流两用电机是无论采用用直流电源还是交流电源都可以运行的电机,其结构简单,稳健可靠,能实现高速旋转。它一直用于家电产品和工业工具中。

  凸极式同步发电机经常用作发电厂的大型发电机。通过定子线圈的电磁感应,向转子线圈提供磁场电流并使转子旋转,实现发电。

  由于在凸极式同步发电机中,可根据负载和所连接负载的功率因数调节磁场电流获得任意功率因数,因此可分析出显示电枢电流与磁场电流关系的V曲线的特性。

  爪极发电机常用作汽车的交流发电机。每个转子磁极具有一个重叠爪结构,因此称为爪极。近几年,这种爪极发电机越来越多地用作定子电机,并利用磁性分析功能来分析形状以实现发电机和电机的特性。

  轴向间隙电机的结构中,定子位于圆盘状转子的对面。因此,这种电机适合小薄尺寸和高转矩。磁通沿轴向流动,因此需要用3D模型做磁性分析,以获得精确设计。

  不止电机,在众多电气设备中,电磁力产生的振动和噪声问题一直困扰着设计工程师。

  传统上,对于大多数电磁场设计和结构设计,都是单独设计每个组件,但这种设计流程存在的一个技术挑战就是难以协调各组件设计以实现整个系统最佳化。然而,通过使用电磁场分析工具ANSYS Maxwell和结构分析软件ANSYS Mechanical(ANSYS产品)进行耦合分析,可以解决多物理场仿真难题。

  由于新版ANSYS R15.0中安装的新功能,通过使用电磁场分析工具ANSYS Maxwell进行瞬态响应分析(时间响应分析)获得的时间响应电磁力数据需要进行FFT变换,而且[分析]需要持续进行,直到与结构分析的频率响应分析对应。通过使用ANSYS Workbench平台,设计工程师可以轻松执行此分析,尽管存在过去会成为障碍的一些分析挑战,例如电磁场中的时间响应以及结构分析中的频率响应。

  此外,通过使用ANSYS ACT Extension功能,可在结构分析中分析噪声以及对周围环境的声压场。

  ANSYS Maxwell和ANSYS Mechanical均为ANSYS研发的产品,与结合其他公司工具的解决方案相比,该产品具有两大优势:内含支持系统,同时具有兼容性,易于工具协调,理想适用于耦合分析。

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