基于ANSYS三相异步电机实验平台设计

刘杰 吴凡夫 梅建伟

摘要：课题利用ANSYS软件建立了三相异步电机仿真模型，对物理环境、定子/转子等模型建立以及单元属性类别等涉及到三相异步电机建模的几个关键要素进行了详细的阐述，利用matlab建立了异步电机转子磁场定向矢量控制系统模型，分析了ANSYS与matlab的协同仿真技术。实验结果表明，该实验平台使得抽象的概念更加清晰直观，满足了电机实验系统的要求。

关键词：ANSYS;三相异步电机;建模;仿真

传统电机的设计中开发和实验周期长成本高，而现代电机由于磁极形状、齿槽分布等复杂多样，使得磁路十分复杂，使得经典的电机设计及其实验方法已经不能满足需要。针对电机设计和实验中的核心问题，采用ANSYS软件建立异步电机定子/转子等模型，与其他软件协同仿真，准确地计算出电机的磁场分布、电感、力矩等，分析电机的散热、机械特性以及电磁性能[1]。

1 ANSYS三相异步电机实验平台

ANSYS电机及控制系统集成化设计方案可解决电机本体及控制系统的快速设计、方案优选和电机精确电磁性能分析等问题。用户还可根据需要，补充结构、噪声分析等软件，即可实现单向或双向的电机多物理域协同设计、高精度电机及控制系统集成化设计等[2]。

三相异步电机实验系统包括：异步电机本体和控制系统建模、协同仿真技术以及实验结果分析和处理。基于ANSYS的异步电机建模的实质是在计算机中运行电机，主要分为前处理（建模）、网格划分、加载设置求解以及后处理。建模可以使用GUI控制流或者命令流，首先建立异步电机的各单元，比如定子铁心、定子绕组、转子等，再对每一部分进行划分网格和单元类型定义，保证电机建模的完整性。

2 异步电机建模步骤

2.1 物理環境的创建

物理环境的创建主要包括定义工作标题、定义文件工作名、定义分析类型、进入前处理、异步电机定子和转子基本参数设置、参数和单元类型定义以及组件特性定义。

本文主要采用命令行语句对定子、转子等结构进行定义，主要命令行语句为：定义铁心外径outer_stator=1400/1000，定子槽数nslot_stator=72，相数m_phase=3，极数n_pole=4，导线宽度ss_clw=16/1000，并绕导线根数ss_clh=4/1000等。

对单元类型进行定义，主要包括AZ自由度用于空气和绝缘区域et，1，53，0，AZ自由度用于转子槽内导条et，3，53，1等。

对材料参数进行定义，主要包括空气导磁率：mp，murx，1，1，定子导体导磁率：mp，murx，2，1，定子导体电阻率：mp，rsvx，2，0.0434e6。

2.2 定子/转子几何模型创建

物理环境、结构参数等设定完成后，再创建72个定子槽，调用csys命令，将坐标变化为极坐标，每个定子槽间隔4.8度。将生成的组件铁芯和定子槽区域相减，便得到完整的定子铁芯。以定子铁芯内径减去气隙的半径，和定子铁芯的外径形成一块同心圆的区域，选定这个区域和定子铁芯相减，就可以得到气隙。创建转子的几何模型的步骤与建立定子几何模型的步骤相似，重复上述定子铁芯建模的步骤，在命令行语句中按照转子铁芯以及绕组的尺寸和参数进行重新定义[3]。

2.3 单元属性类别

在建立异步电机各个部分组件的基础上，对各个组件部分的单元属性类别进行划分和定义，在执行命令以后，就可以得到异步电机的仿真模型和仿真结果，如图1、2所示。

3 协同仿真技术

在Matlab中建立好异步电机矢量控制模型，在进行联合仿真之前，首先将Simplorer文件中的AnsoftLinkDialog、AnsoftSFunction.dll、AnsoftSFunction.h加载到Matlab的扫描路径中，完成Matlab的相应设置。设置完成后，在Simplorer创建相应的工程和进行配置后就可以进行联合仿真[4]，仿真模型和波形如图3、4所示。

4 结语

利用ANSYS软件建立了三相异步电机的定子、转子和气隙模型，并且利用ANSYS软件工具对其电磁场分布情况进行了仿真，通过与其他电机控制应用软件相结合，可以对三相异步电机机电控制系统进行协同仿真，该虚拟实验平台的建立不仅能够促进学生对电机及其结构的深入了解，而且还能为电机设计以及性能分析打下坚实的基础。

参考文献：

[1]赵鲁.基于Simplorer场路耦合多物理域联合仿真[M]].北京：中国水利水电出版社，2014.3.

[2]胡仁喜.ANSYS13.0电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012.1.

[3]夏正泽.基于场路耦合法的异步牵引电机电磁场分析[J].微电机，2009.3（24）.

[4]]刘雪梅，倪泽浩，李爱平.基于ANSYS的大型异步电机转子系统动态特性分析[J].中国工程机械学报，2013，06：480484.