基于Ansoft的单相凸极式电容电动机有限元模型的建立与仿真

王云艳+黄险峰

摘要： 根据单相凸极式电容电动机运行原理和结构特点，利用Ansoft公司的Maxswell系列软件的二维涡流场与瞬态场对其进行建模仿真，进而对电机的稳态性能进行仿真模拟。最终通过仿真结果来查看电机的性能，为电机设计提供参考。

Abstract： According to the running principle and structure characteristics of single-phase salient pole capacitor motor， this paper used the two-dimensional vortex field and transient field of Maxswell series of software from Ansoft company for its modeling and simulation， and then carried on the simulation for the steady-state performance of the motor， and finally checked the performance of the motor through simulation results， to provide reference for the motor design.

关键词： 单相凸极式电容电动机；有限元；Ansoft；电磁场

Key words： single-phase salient pole capacitor motor；finite element；Ansoft；electromagnetic

中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）22-0041-02

0 引言

传统的隐极式的电容电动机至今仍主要为人工嵌线，耗用原材料多且工时多。研究表明，同等性能的凸极式电容电动机除可以节省材料外，特别有利于实现自动嵌线，通过运用可靠、准确和实用的计算方法从而节省劳动力和成本[1]。本文就已有的单相凸极式电容电动机的结构建模分析，明确其电磁场特点和设计规律。在实际当中用来求解磁场的方法可以总结为：解析法、模拟法、数值计算法、图解法。数值计算法中的有限元法是比较有代表性的方法。

有限元解决电机磁场问题相对灵活性大，实用性强，可以应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学。近年来因为计算机技术的普及，有限元的应用越来越广泛，并且已经从最开始的汽车到现在的航天飞机都在使用有限元分析，让各个领域的设计水平产生了质的飞越。这种质的飞越主要体现在不仅可以在设计的开始阶段就发现潜在的问题，进而经过有限元的分析来优化所设计的方案来达到降低生产成本的目的，还可以缩短投入市场的时间，与传统CAD无缝集成是有限元软件的一个发展趋势。有限元法的精髓就是要把整个区域分解成有限个很小的子区域，然后再对每个小区域进行边界求解，最后再把所有的求解结果综合起来就是整个区域的解。其中Ansoft Maxwell是有限元中有代表性的一种软件，用来对低频电磁场做有限元仿真软件中的其中一个，在实际的工程领域用的使用很广泛，ansoft中仿真磁场的有静磁场、涡流场、瞬态场，其中静磁场适用于所有的磁场量均不随时间改变而改变的情况，涡流场是指激励随时间按正弦或者余弦规律变化，瞬态场适用于电流、电压、外加场是无规则变化的加载激励，是时间、位置或者是速度的函数关系的情况。单相凸极式电容电动机加载的是交流电可以采用涡流场与瞬态场对凸极式电容电动机进行磁场的建模仿真与比较[2]。

1 单相凸极式电容电动机理论

单相凸极式电容电动机采用的是电容运转，在副绕组回路中接入电容，使得主绕组的与副绕组的电流有一个90度的相位差，并且使得副绕组的阻抗显容性。单相电容式电动机的优点在于副绕组上没有了离心开关，在电机启动之后还是以两相运转的方式进行运转，并且在气隙中有旋转磁场的产生，那么在运行的性能和各项性能指标方面都可以得到提高。但是不足之处是在这种情况下产生的磁场不是圆型的而是椭圆形的，这就导致了开始的启动转矩比较小。

2 单相凸极式电容有限元建模

2.1 假设 决定电机性能好坏的依据有很多，比如说磁场的分布情况，所以我们就更要把重点放在电机的磁场分析上去。但是由于电机的结构非常复杂所以就决定了磁场也很复杂，这种复杂性不仅体现在磁场要穿过很多种不同材质的介质（空气、铁芯、绕组的磁导率还有其他的性质相差很大），也体现在每个不同阶段的磁场情况是不一样的（空载、负载）。并且电机的电磁场本来应该是三维的，求解的过程就更加麻烦，由于有限元模型中的气隙分布均匀且很小，轴向的磁感应强度是不变的，可只考虑径向的磁感应强度，基于此可用二维场来模拟凸极式电容电动机的磁场分布。①定转子铁芯中的涡流效应忽略不计。②忽略斜槽漏抗。③定转子铁芯外缘的散磁忽略不计。④定子外圆满足强加边界条件：A=0。

2.2 电机2D模型的建立 样机的额定数据与结构参数如表1。

Ansoft建模的方法有两种，一种是利用Ansoft的RMxprt直接建模，另外一种是在绘图区利用画图工具建立有限元模型。RMxprt中包含了经常使用的12大类（15种）电机，但是不包括单相凸极式电容电动机，所以在这里只能采用第二种方法[4]。该电机模型的8个定子槽与13个转子槽在圆周上均匀分布，其中主绕组与副绕组间隔分布[5]。下面是利用Ansoft软件中的Maxwell 2d模块建立单相电容式电动机的二维有限元模型，建模过程如下：

2.2.1 确定模型单位和求解平面。冲片单位是mm所以首先要在笛卡尔坐标平面指定其单位为mm。

2.2.2 根据电机的定转子具体的尺寸数据，画出电机模型，具体步骤如下：endprint

①要确定定子槽中各个点的坐标，由此建立一个定子槽；②利用Ansoft中沿轴复制的功能建立8个定子槽，再把其连接起来并形成面域；③同样确定定子槽中绕组中各个点的坐标，因为这是一个封闭大的面所以由此建立完以后就自动形成了一个绕组的面域；④本机中一个极两边各放一个绕组——主绕组A和副绕组B，所以沿轴复制后是16个绕组，四分之一模型中分别有两个主绕组和两个副绕组。⑤利用定子槽面域与绕组面域形成定子冲片；⑥确定转子槽中各个点的坐标，由此建立一个转子槽；⑦复制出13个转子槽并连接形成面域；⑧确定导条中各个点的坐标画出导条面，并复制成13个；⑨利用转子槽与导条布尔运算形成转子冲片和气隙；⑩最后画出转轴。

在以上建模中最重要的是线的闭合性和面域之间的布尔运算，面与面之间的加减是为了区分出电机的各部分。

2.2.3 对各个部分进行材料属性分配，没有定义材料的面域默认为真空。本电动机中本电动机中绕组采用的是copper，导条采用的是铸铝，定转子铁芯的材料steel1300在材料库里面没有，需要在材料库里添加所用铁磁材料的BH曲线，且属于各向同性的非线性导磁材料。

2.2.4 加载激励源并且确定边界条件。有限元就是计算矩阵方程，而边界条件就是这个方程的定界条件，所以边界条件的设置保证了方程组能被解除，而且边界调节也是模型各个边界上的已知量，第一类边界条件ansoft已经默认加载了，本文中对模型做了理想化的处理，认为磁感线只分布在电机的内部，添加的是狄里克莱边界条件[4]。样机额定运转电流I=0.68A，主绕组匝数是460匝，涡流场中所加的安匝数value=0.68*■*460=422A，副绕组以同样的方式加载的安匝数为560A。在瞬态场加载的是主绕组加载的是交流电压220*sin（2*pi*50*time），副绕组接了一个电容，那么所加载的电流在相位上就要超前90度，副绕组加载的是220*sin（2*pi*50*time+2*pi*50*0.005）。

2.2.5 进行求解设定并进行求解。进行求解之前我们先要进行网格划分，本文中，我们根据电机的不同面域采用不同的精度，最后得出剖分图。

3 仿真结果的分析

从图1、2可以看出用涡流场和瞬态场仿真得出的磁通密度图在分布和数值上相差不大，最大的磁感应强度是 1.45左右，硅钢片的膝点是在2.0T左右[7]，较好的硅钢片可以达到更高一点。电机内的磁通是在铁芯上流动的，铁芯对磁通具有磁阻，磁通流过时会产生热量，这样的损耗叫做磁滞损耗，我们可以看到其稳定值都不超过膝点要求，这样不至于发热量过大使电机损坏。

4 结论

本文分析了单相凸极式电容电动机的运行原理及物理模型，在ansoft maxwell的基础上建立了单相凸极式电容电动机的有限元模型，在涡流场中实现了定子端电流的加载及仿真，在瞬态场中实现了定子端的正弦交流电的加载及仿真，得到了涡流场与瞬态场的场图结果并对比。从比较结果发现两种仿真方法得出的分布与数值都比较接近。本文的研究结果为以后单相凸极式电容电动机的设计和优化提供了有效和快捷的途径。

参考文献：

[1]秦新燕，肖鹏程.基于Ansoft的电机设计与瞬态分析[J].湖北第二师范学院学报，2011，28（2）：89-92.

[2]Ansoft 12在工程磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]谢世强，邬芝胜.基于Ansoft 12的感应电机参数化及其瞬态仿真[J].防爆电机，2012，47（5）：27-34.

[4]魏曙光，马晓军，闫之峰，可荣硕.基于Ansoft的定子双绕组感应发电机设计分析[J].微特电机，2013，41（1）：1-10.

[5]杭静宇，陈志辉，邹晓渔，周振军.四相电励磁双凸极发电机的仿真与优化[J].微电机，2013，46（8）：19-23.

[6]孙梦云，张宇娇，袁兆强，阮江军，黄涛.感应电机的直接场路耦合有限元计算方法[J].大电机技术，2013，2：5-8.

[7]中小旋转电机设计手册[M].北京：中国电力出版社，2007.endprint

①要确定定子槽中各个点的坐标，由此建立一个定子槽；②利用Ansoft中沿轴复制的功能建立8个定子槽，再把其连接起来并形成面域；③同样确定定子槽中绕组中各个点的坐标，因为这是一个封闭大的面所以由此建立完以后就自动形成了一个绕组的面域；④本机中一个极两边各放一个绕组——主绕组A和副绕组B，所以沿轴复制后是16个绕组，四分之一模型中分别有两个主绕组和两个副绕组。⑤利用定子槽面域与绕组面域形成定子冲片；⑥确定转子槽中各个点的坐标，由此建立一个转子槽；⑦复制出13个转子槽并连接形成面域；⑧确定导条中各个点的坐标画出导条面，并复制成13个；⑨利用转子槽与导条布尔运算形成转子冲片和气隙；⑩最后画出转轴。

在以上建模中最重要的是线的闭合性和面域之间的布尔运算，面与面之间的加减是为了区分出电机的各部分。

2.2.3 对各个部分进行材料属性分配，没有定义材料的面域默认为真空。本电动机中本电动机中绕组采用的是copper，导条采用的是铸铝，定转子铁芯的材料steel1300在材料库里面没有，需要在材料库里添加所用铁磁材料的BH曲线，且属于各向同性的非线性导磁材料。

2.2.4 加载激励源并且确定边界条件。有限元就是计算矩阵方程，而边界条件就是这个方程的定界条件，所以边界条件的设置保证了方程组能被解除，而且边界调节也是模型各个边界上的已知量，第一类边界条件ansoft已经默认加载了，本文中对模型做了理想化的处理，认为磁感线只分布在电机的内部，添加的是狄里克莱边界条件[4]。样机额定运转电流I=0.68A，主绕组匝数是460匝，涡流场中所加的安匝数value=0.68*■*460=422A，副绕组以同样的方式加载的安匝数为560A。在瞬态场加载的是主绕组加载的是交流电压220*sin（2*pi*50*time），副绕组接了一个电容，那么所加载的电流在相位上就要超前90度，副绕组加载的是220*sin（2*pi*50*time+2*pi*50*0.005）。

2.2.5 进行求解设定并进行求解。进行求解之前我们先要进行网格划分，本文中，我们根据电机的不同面域采用不同的精度，最后得出剖分图。

3 仿真结果的分析

从图1、2可以看出用涡流场和瞬态场仿真得出的磁通密度图在分布和数值上相差不大，最大的磁感应强度是 1.45左右，硅钢片的膝点是在2.0T左右[7]，较好的硅钢片可以达到更高一点。电机内的磁通是在铁芯上流动的，铁芯对磁通具有磁阻，磁通流过时会产生热量，这样的损耗叫做磁滞损耗，我们可以看到其稳定值都不超过膝点要求，这样不至于发热量过大使电机损坏。

4 结论

本文分析了单相凸极式电容电动机的运行原理及物理模型，在ansoft maxwell的基础上建立了单相凸极式电容电动机的有限元模型，在涡流场中实现了定子端电流的加载及仿真，在瞬态场中实现了定子端的正弦交流电的加载及仿真，得到了涡流场与瞬态场的场图结果并对比。从比较结果发现两种仿真方法得出的分布与数值都比较接近。本文的研究结果为以后单相凸极式电容电动机的设计和优化提供了有效和快捷的途径。

参考文献：

[1]秦新燕，肖鹏程.基于Ansoft的电机设计与瞬态分析[J].湖北第二师范学院学报，2011，28（2）：89-92.

[2]Ansoft 12在工程磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]谢世强，邬芝胜.基于Ansoft 12的感应电机参数化及其瞬态仿真[J].防爆电机，2012，47（5）：27-34.

[4]魏曙光，马晓军，闫之峰，可荣硕.基于Ansoft的定子双绕组感应发电机设计分析[J].微特电机，2013，41（1）：1-10.

[5]杭静宇，陈志辉，邹晓渔，周振军.四相电励磁双凸极发电机的仿真与优化[J].微电机，2013，46（8）：19-23.

[6]孙梦云，张宇娇，袁兆强，阮江军，黄涛.感应电机的直接场路耦合有限元计算方法[J].大电机技术，2013，2：5-8.

[7]中小旋转电机设计手册[M].北京：中国电力出版社，2007.endprint

①要确定定子槽中各个点的坐标，由此建立一个定子槽；②利用Ansoft中沿轴复制的功能建立8个定子槽，再把其连接起来并形成面域；③同样确定定子槽中绕组中各个点的坐标，因为这是一个封闭大的面所以由此建立完以后就自动形成了一个绕组的面域；④本机中一个极两边各放一个绕组——主绕组A和副绕组B，所以沿轴复制后是16个绕组，四分之一模型中分别有两个主绕组和两个副绕组。⑤利用定子槽面域与绕组面域形成定子冲片；⑥确定转子槽中各个点的坐标，由此建立一个转子槽；⑦复制出13个转子槽并连接形成面域；⑧确定导条中各个点的坐标画出导条面，并复制成13个；⑨利用转子槽与导条布尔运算形成转子冲片和气隙；⑩最后画出转轴。

在以上建模中最重要的是线的闭合性和面域之间的布尔运算，面与面之间的加减是为了区分出电机的各部分。

2.2.3 对各个部分进行材料属性分配，没有定义材料的面域默认为真空。本电动机中本电动机中绕组采用的是copper，导条采用的是铸铝，定转子铁芯的材料steel1300在材料库里面没有，需要在材料库里添加所用铁磁材料的BH曲线，且属于各向同性的非线性导磁材料。

2.2.4 加载激励源并且确定边界条件。有限元就是计算矩阵方程，而边界条件就是这个方程的定界条件，所以边界条件的设置保证了方程组能被解除，而且边界调节也是模型各个边界上的已知量，第一类边界条件ansoft已经默认加载了，本文中对模型做了理想化的处理，认为磁感线只分布在电机的内部，添加的是狄里克莱边界条件[4]。样机额定运转电流I=0.68A，主绕组匝数是460匝，涡流场中所加的安匝数value=0.68*■*460=422A，副绕组以同样的方式加载的安匝数为560A。在瞬态场加载的是主绕组加载的是交流电压220*sin（2*pi*50*time），副绕组接了一个电容，那么所加载的电流在相位上就要超前90度，副绕组加载的是220*sin（2*pi*50*time+2*pi*50*0.005）。

2.2.5 进行求解设定并进行求解。进行求解之前我们先要进行网格划分，本文中，我们根据电机的不同面域采用不同的精度，最后得出剖分图。

3 仿真结果的分析

从图1、2可以看出用涡流场和瞬态场仿真得出的磁通密度图在分布和数值上相差不大，最大的磁感应强度是 1.45左右，硅钢片的膝点是在2.0T左右[7]，较好的硅钢片可以达到更高一点。电机内的磁通是在铁芯上流动的，铁芯对磁通具有磁阻，磁通流过时会产生热量，这样的损耗叫做磁滞损耗，我们可以看到其稳定值都不超过膝点要求，这样不至于发热量过大使电机损坏。

4 结论

本文分析了单相凸极式电容电动机的运行原理及物理模型，在ansoft maxwell的基础上建立了单相凸极式电容电动机的有限元模型，在涡流场中实现了定子端电流的加载及仿真，在瞬态场中实现了定子端的正弦交流电的加载及仿真，得到了涡流场与瞬态场的场图结果并对比。从比较结果发现两种仿真方法得出的分布与数值都比较接近。本文的研究结果为以后单相凸极式电容电动机的设计和优化提供了有效和快捷的途径。

参考文献：

[1]秦新燕，肖鹏程.基于Ansoft的电机设计与瞬态分析[J].湖北第二师范学院学报，2011，28（2）：89-92.

[2]Ansoft 12在工程磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]谢世强，邬芝胜.基于Ansoft 12的感应电机参数化及其瞬态仿真[J].防爆电机，2012，47（5）：27-34.

[4]魏曙光，马晓军，闫之峰，可荣硕.基于Ansoft的定子双绕组感应发电机设计分析[J].微特电机，2013，41（1）：1-10.

[5]杭静宇，陈志辉，邹晓渔，周振军.四相电励磁双凸极发电机的仿真与优化[J].微电机，2013，46（8）：19-23.

[6]孙梦云，张宇娇，袁兆强，阮江军，黄涛.感应电机的直接场路耦合有限元计算方法[J].大电机技术，2013，2：5-8.

[7]中小旋转电机设计手册[M].北京：中国电力出版社，2007.endprint