现代电机CAD技术仿真报告
题目 有限元及CAD制图上机实验报告 任课教师
作者 专业学号
上课时间 作业完成时间＿＿＿＿＿＿＿＿
浙江大学电气学院有限元及CAD制图
上机实验报告
课程 现代电机CAD技术 实验名称 有限元及CAD上机实验
系 别____电气工程及其自动化______ 实 验 日 期 2016年 月 日 专业班级_____组别_____________ 实 验 报 告 日 期 2016年 月 日 姓 名___学号__ 报 告 退 发 ( 订正 、 重做 )
实验名称 有限元及CAD上机实验 一.题目
1、绘制给定的电机二维截面图。 2、完成该电机的电磁场有限元分析。 3、基本假设
假设为单位电机（轴向长度1m，每相绕组匝数1匝）。
6/4极、8/6极电机，相对两极正向串联，构成一相，形成两极磁场；12/8
极电机，相互垂直四极串联，构成一相，形成四极磁场。励磁安匝只对一相绕组施加。
冲片材料DR510-50 尺寸单位：mm。
SRM x-x-0、-7、-145、-18、-225、-30表示定子极中心线与转子槽中心线的
夹角，分别为0度、7度、14.5度、18度、22.5度、30度。 绕组未给尺寸，可以近似绘制
二.环境
Windows 7_64bit
Ansoft Maxwell V15、AutoCAD2014 Office 2016
三.实验数据、结果分析
1. 建AutoCAD图
我的电机型号为SRM9-2-18，下图为使用AutoCAD绘制的电机二位截面图。
图 1 AutoCAD绘制的电机截面图
做好图后，首先对这一电机进行初步分析，如图所视，该电机为开关磁阻
电机，定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成（本实验中选用了DR510-50电工硅钢薄板）。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向对称的两个绕组联接起来，称为“一相”，本电机为四相8/6极，是现在应用较多的相数结构。
开关磁阻电机的控制系统由功率变换器、控制器与转子位置检测器四部分组成，其中控制器内包含功率变换器和控制电路。在本实验中，只对开关磁阻电机本体进行电磁场分析。
2. 用Maxwell软件进行分析
对电极进行初步分析后，我们就可以对这一状态下（指当前状态下，电机转子槽中心线与定子槽中心线之间的夹角为18°）的电机进行分析。
首先，将电机的二维截面图转换成面域并导入Maxwell，设定定子、转子材料为DR510-50电工硅钢薄板，气隙为空气，转子中心也为空气。实际上，为增强转子的机械强度，转子中心一般选用钢材料，不会设计为空气，但转子一般不会饱和，中心的磁密分布也很少，且题目中并没有对损耗分析做要求，所以这里选用空气也无妨。绕组为铜线。
1) 冲片材料磁化曲线
图 2 冲片材料磁化曲线
此时只对上下绕组（定为A相绕组）加直流激励。由于所建的模型将绕组匝数定为最简单的一匝，所以这里加入较大的直流激励来模拟实际的安匝数。
2) 查看磁力线
为检查所建的模型是否正确，首先对A相绕组加入200nA直流激励，查看电机的磁力线走向，如下图：
图 3 对A相绕组施加200nA激励时电机磁力线（参数设置30）
如图3，磁力线主要走磁阻比较小的区域，电机磁力线主要分布在转子齿、转子轭、定子齿、定子轭以及A相绕组与转子之间的气息中。其他结构中存在漏磁，如定子齿顶部漏磁、槽漏磁等。
我们可以看出，当电机转子槽中心线与定子槽中心线之间的夹角为18°时，漏磁很小。
同时，从图中的磁力线分布我们可以看到，有些地方磁力线明显较为密集，结合下图磁密分析的结果我们可以看到，磁力线较为密集的地方磁密往往较大，这与理论知识相符合。
由开关磁阻电机的运行原理得知，其运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合，且转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。
3) 查看磁密分布
为进一步对电机进行电磁场分析，可观察电机的磁密分布曲线，如下图：
图 4 励磁200nA电机磁密分布（参数设置为30）
由上图4，磁力线明显较为密集的结构处，磁密也较大，磁力线左右分布对称，磁密左右分布也对称，这与理论知识相符。
4) 观察剖分网格图
再观察剖分网格图，如下，可以看出，在定转子齿部，剖分线较密，密度较大，在定转子颚部剖分密度较小，因为此处的磁场分布较均匀
图 5 励磁200nA电机剖分网格图
5) 加大励磁电流，查看磁密分布，分析电机的铁心的饱和程度： 由于本实验要求我们画磁化曲线，那么我们可以先加大励磁电流。
当取励磁为1000安匝时候，其磁场分布图如下：磁场强度最大也只有1.2T左右，比较小，故加大励磁。
图 6 励磁1000A，电机磁密分布
于是通过改变励磁电流安匝数，在有限元分析中可得到不同的磁场分布图和
磁密分布图，从中可得到一定励磁电流（磁势）下，各点的B-H关系。
当取励磁为2000安匝时候，其磁场分布图如下：磁场强度最大为1.6T左右，还不到1.8T，故加大励磁。
图 7 励磁2000A，电机磁密分布
当取励磁为4000安匝时候，其磁场分布图如下：
图 8 励磁4000A，电机磁密分布
当取励磁为6000安匝时候，其磁场分布图如下：磁场强度最大为1.8T左右。
图 9 励磁6000A，电机磁密分布
6) 观察气隙磁场波形
当励磁电流为1000安匝时，观察气隙磁场分布：
图 10 励磁1000A，电机气隙磁场波形
由上图所示，根据励磁电流的流向，电机上下两磁极分别为N极、S极，则两极气息磁场方向相反。且每极极边的两侧磁场强，磁极中心线处磁密小，这一现象与磁力线分布图吻合。
7) 观察电感、转矩、磁链计算结果。 励磁为4000安匝时，电感计算结果：
转矩计算结果：
磁链计算结果：
四.总结
通过本次实验，我熟悉了cad制图的方法，以及AutoCAD软件的运用，学会了如何利用Maxwell软件进行分析，同时，对有限元分析的方法也有了更深的了解，对于电机的磁场线以及磁密的分布也有了更深刻的理解。
电机转子槽中心线与定子槽中心线之间的夹角为18°时，A相磁极左右两侧的磁路的磁阻不同，磁力线分布也不对称，左右两侧转子齿的受力也不同，所以此时电机的转矩不为0。且由于A相磁极距离右侧的转子齿非常近，A相磁极到右侧转子齿的磁路的磁阻小，则磁力线大多从A相磁极出发，经过很小的一段气隙，到达右侧转子齿，不容易产生漏磁。
通过改变励磁电流的大小，可以改变磁感应强度的大小。通过磁化曲线可以看出，当磁势较小时，磁链与磁势近似呈线性关系，随着磁势的增大，磁链趋于饱和，显示在曲线上就是趋于平缓。
另外，在AutoCAD中作图时，最好一开始就把图的中心定在坐标原点，因为Maxwell分析电机的转矩时，以坐标原点为轴心。做好图后，应该将图转化成面域，转换成面域后，将选中图形，导出成.sat格式并导入Maxwell。
本次实验中，我对于开关磁阻电机也有了更深刻的认识。开关磁阻电机的定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成（本实验中，我们选用了DR510-50电工硅钢薄板）。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向对称的两个绕组联接起来，称为“一相”，本电机为四相8/6极。虽然相数增多，步距角将小，有利于减少转矩脉动，但相数增多，结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此，现今应用较多的是四相（8/6）结构和三相（12/8）结构。
开关磁阻电机的控制系统由功率变换器、控制器与转子位置检测器四部分组成，其中控制器内包含功率变换器和控制电路。
开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
开关磁阻电机的优点有：结构简单，转子上没有任何形式的绕组，成本低，可用于高速运转。其次，因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，使功率电路简单可靠。此外，从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。在我看来，其最大的优点在于：起动转矩大，起动电流低，可频繁起停，适用于频繁起停及正反向转换运行，且可控参数多，调速性能好。
但是，开关磁阻电动机最大的缺点是：有转矩脉动。从工作原理可知，开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了电动机低速运行性能。
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