电机CAD报告

电机CAD报告J电气1103吴敏霞4111127067AnsoftMaxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁场领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。该软件包括二维求解器、三维求解器和RMxprt旋转电动机分析专家系统这3个主要模块，不仅可以进行静磁场、静电场、交直流传导电场、瞬态电场、涡流场、瞬态磁场等不同的基本电磁场的特性分析，还可以通过RMxprt电动机模块仿真多种电动机模型，为实际电动机设计提供帮助。利用Ansoft软件进行仿真可以帮助我们了解电动机的结构特性。设计一台电机时，必须确定许多尺寸，但其中起主要与决定作用的是电机的主要尺寸。电机的主要尺寸是指电枢铁芯的直径和长度。对于直流电机，电枢直径是指转子外径；对一般结构的感应电机和同步电机，则是指定子内径。主要尺寸确定以后，其他尺寸也就可以大体确定。电机的重量、价格、工作特性和运行可靠性等也都是和主要尺寸以及它们的比值有密切的关系。所以确定主要尺寸是电机设计的第一步。一、电机设计的一般步骤1、选取电机初始设计参量：①冲片尺寸：1D、1iD、2iD、、L、1Q、2Q、槽形尺寸②绕组参量：d、1d、tN、Z、a、i、连接法2、校核电机性能指标：TF、EK、、stI3、调整电机有关参量：1iD、L、、sN、转子槽形尺寸4、挑选最佳电机设计方案①磁路计算mttpEIFFHBFK,各段磁路②参数计算EKIIxxrr212121,,,,型电路③性能计算mNfwCuFeTSppppcos,,④起动计算ststststTIZstxstxstrI)(,)()(212电机的几何尺寸很多，有铁心尺寸、绕组尺寸、外形尺寸、安装尺寸，其它各种结构部件的尺寸。但是究竟哪些是主要尺寸：电机的电磁过程主要是在气隙中进行的，其能量形式的转换则是通过“气隙主磁通”进行的。因此主要尺寸就必定与气隙有密切关系。实践证明，靠近气隙的电枢直径（D）与铁心有效长度（efl）是电机的主要尺寸，而气隙可以说是第三个尺寸。从几何角度看，这些尺寸一经确定了，其它尺寸就大体上确定了，而且不少电磁性能也就基本上为它们左右或稍许变动。铁心尺寸绕组尺寸其它尺寸大体确定电机的几何尺寸外形尺寸主要尺寸不少电磁性能变化不大安装尺寸（D、efl、）电机矢量确定结构部件尺寸电枢直径D：交流电机1iD（定子内径）直流电机2D（转子外径）即找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系。出线端输出的电功率发电机轴上输出的功率电动机输出功率额定功率:::NP额定转速：同步速pfn60)(:)/(:2:TBADmWIA值气隙中磁通密度的最大磁负荷米流电枢圆周单位长度上电线负荷电磁负荷电磁功率（计算功率）：电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），能量都是以电磁能的形式通过定转子间的气隙进行传递的，与之相对应的功率称为电磁功率。电磁功率在电机设计中用计算功率表示（P）二．利用计算机设计综合程序：变量的确定，定子梨形槽尺寸的决定，绕组导线尺寸的决定，设计综合程序的基本结构。RMxprtTM是旋转电机专业设计软件，能快速计算各种电机（感应电机、同步电机、电子或机械换向电机等）的性能指标。RMxprtTM还能快速地对成百上千种设计方案进行评估，并可对预选方案进行设计优化，优化设计后的方案可根据模型的对称性，自动生成合理的二维/三维电磁场有限元分析模型。RMxprtTM为工程人员在产品设计过程中及时地评估和平衡设计方案提供了有效工具。随着电机应用领域的不断拓展，工程设计人员在产品小型化、高效率以及高性能方面面临越来越多的挑战。RMxprtTM帮助电机制造者，在设计过程的初始阶段制定成百上千种方案，同时对其性能进行评估，从中优选出最佳、合理的设计方案。具有Windows风格的桌面环境，采用专业的、模版化电机设计界面，RMxprtTM运用经典电机分析理论快速、准确地求解电机的转矩－转速特性、损耗、气隙磁通、以及效率等重要特性曲线及参数。集成的参数化分析和优化设计功能使它成为快捷、高效的电机设计专用工具RMxprtTM与Ansoft的Maxwell集成在同一设计环境中，设计者可单独使用RMxprtTM，也可将其优选出的设计方案自动生成二维/三维有限元分析模型，用Maxwell对电机进行更精确的电磁场分析设计,实现电机解析-有限元自动设计流程。一ansoft软件各模块的简单介绍1.RMxprt该软件用于探索电机设计空间、快速确定设计方案，并能进行优化设计它已经可以进行十三种电机类型的设计：三相感应电机单相感应电机永磁无刷直流电机永磁直流电机通用电机开关磁阻电机调速运行永磁同步电机自起动三相永磁同步电机三相同步电机三相同步发电机永磁同步发电机特点：:工作条件,几何尺寸,材料特性的快速解析分析析b–h特性:槽型设计和线规选择:恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵维斜槽和端部效应开关管参数设定。2.Maxwell2D二维电磁场、温度场，瞬态场分析软件，Maxwell®2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。3.Maxwell3D包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损耗计算和热分析模块，其核心是针对三维电磁场分析而优化的有限元技术。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得Maxwell3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。4.OptimetricsOptimetrics是Maxwell3D的选件模块，用于优化、参数分析和敏感性分析。Optimetrics为设计者评估特定参数和目标函数之间关系最终进行装置优化提供了有力工具。采用宏功能，仿真过程中可以对形状、激励/边界条件、频率等进行参数分析优化。OPTIMETRICS是绝佳的参数化和优化引擎，它可让用户从一非常简洁易用的界面执行参数分析、敏感性分析、优化和其他许多设计研究。OPTIMETRICS模块驱动ANSOFT的电磁场解算器，使工程师们能用精确电磁场仿真来设计电子器件和产品。采用OPTIMETRICS，就可以很快很轻易地执行大量的设计变量、优化器件，并自动进行实验设计研究来推导出敏感性和不确定性与制造容差之间的函数关系。OPTIMETRICS自动产生和修改宏。用户建立一个项目并定义要改变的独立参数。宏编辑器模块自动解释宏文本中的特显行，使用户可定义独立变量，然后用户再定义在参数分析中需计算的非独立变量，或在优化中需最小化的COST函数。非独立变量和COST函数在HFSS中可以是任意的计算值：场值、S-参数、频率响应、本征模、阻抗等。HFSS执行所要求的计算，向参数分析提供便利的表格形式的输出，向优化提供最佳的设计要求。报告生成器使用户能绘出参数仿真中独立参数与非独立参数间的关系以及优化中费用函数及其他度量与周期的关系。二、电机设计的分类1、“设计分析”程序：按设计设计人员事先估计好的若干设计参量，依一定程序步骤来计算产品的性能，相当于通常的设计核算。它是设计综合和设计优化的基础。2、“设计综合”程序：根据已知的性能要求，决定电机各设计参量的程序。与“设计分析”的区别：它可在规定的产品性能和技术条件下，自动选择适当的技术参数和结构尺寸，从而得也可行的设计方案。即自动修改并重复分析设计，最终得到适合给定要求的设计方案的程序。3、“设计优化”程序：对设计问题提出明确的数学模型，然后依据现代数学的寻优理论并采用优化方法，自动得到较优或最优方案的程序。三、电机设计的基本任务、规格、技术要求四、电机设计的一般步骤1、选取电机初始设计参量：①冲片尺寸：1D、1iD、2iD、、L、1Q、2Q、槽形尺寸②绕组参量：d、1d、tN、Z、a、i、连接法2、校核电机性能指标：TF、EK、、stI3、调整电机有关参量：1iD、L、、sN、转子槽形尺寸4、挑选最佳电机设计方案①磁路计算mttpEIFFHBFK,各段磁路②参数计算EKIIxxrr212121,,,,型电路③性能计算mNfwCuFeTSppppcos,,④起动计算ststststTIZstxstxstrI)(,)()(212五、电机设计CAD的主要过程选定目标、数学描述、数值处理、编制程序、整理输入数据、检验程序、输出结果分析六曲线和图表的数学处理方法之一——插值法插值法的实质：对于有的函数关系的一条曲线，在使用计算机时不可能将无限多组的对应数据都存贮于机内。因此只能将曲线“离散化”，输入有限个对应数据，它们分别和曲线上有限个离散点对应，相邻两离散点间的数据则依人为选定的函数关系来表示，这就是插值法的实质。线性插值2,2,110)()(11111njxxxnxxjxxiyyxxxxyxyjnjiiiiii抛物线插值kiikikjijjkjiyxxxxxyyxxxxxxxxyxxxxxxxxyxxxxxxxxxy2232313212322232312132)()())(())(())(())(())(())(()(一元插值电机设计中有许多曲线和图表，例如磁化曲线、感应电机饱和系数曲线等，都是一元函数关系。手算时可查曲线和图表中的相应值；机算时可用线性或抛物线插值代替查曲线或图表。磁化曲线中可以将B值小的部分用线性插值，因为这段曲线近似是直线；B值大的部分用抛物线插值，因为这段曲线已与直线差得很多。二元插值电机设计中也遇到需要读取由二元函数表示的曲线族，即),(yxfz的情况。二元函数的插值方法也可以理解为两次应用一元插值，这两个一元插值可以是线性的或抛物线的。这与手算时查曲线的规律一样。七．曲线和图表的数学处理方法之二——公式法电机设计中要用到很多类型的曲线，如果这些曲线都采用插值法处理，将使计算机程序变得非常庞杂。如果有可能找出函数关系来代替原曲线，则既可节省大量存贮单元，使程序变得简洁，又能节省计算时间。这就是曲线的公式化。基处理途径如下：1.恢复使用原始公式将绘成的曲线恢复为原来的理论公式，一般不必再验证其精确度。2.用相应公式模拟曲线在电机设计所用曲线中，有些不是理论指导的，如硅钢片磁化曲线；有些虽有来源但计算过份复杂。机算中有必要把这些曲线公式化。公式化的步骤是首先根据曲线形状确定公式类型；然后用待定系数法在常用范围内由曲线的已知点求公式的系数。1、直线：BxAy2、抛物线：2CxBxAy3、双曲线：BxAy4、双曲线的变型表达：如xBAxy5、曲线的分段处理3.对原曲线进行改造6、根据可靠资料，另找其它曲线或公式取代原曲线7、应用数值解法彻底改变原有计算方法八．机辅设计中常用的数值计算方法为提高计算精度并充分发挥计算机的计算功能，可利用数值计算方法来改造原有公式。一、数值积分数值积分只应用于被积函数不能用解析式表达的情况，其精确度取决于分点的多少。当被积函数能用解析式表达时，就没有采用数值积分的必要。二、解非线性联立方程组1、迭代法2、对分法3、近似解析解法4、曲线公式化解析解九．设计分析程序1.手算程序改编成计算程序现有的手算程序一般都是核算程序，即在给定定转子铁心及绕组数据条件下，核算电机各项性能。设计人员要按经验作适当估算，先给出铁心长度、定转子内外径、槽数、槽尺寸及绕组型式、匝数、导线尺寸、接法、并联路数等设计数据后，才能按程