maxwell软件-通⽤电机
18 通⽤电动机
在⽤户已经掌握RMxprt 的基本使⽤的基础上，我们将⼀些过程简化，以便介绍⼀些更⾼级的使⽤。有关RMxprt 的详细介绍请参考第⼀部分的章节。
18.1 分析⽅法
对于直流电动机，如果励磁绕组与电枢绕组串联，则是串励电动机。由于换向系统的存在，电枢电流和励磁电流会同时改变⽅向，因此当它的端电压⽅向改变时，产⽣的电磁转矩的⽅向也不变。这就意味着电动机不仅能在直流电源下运⾏，也能在交流电源下运⾏，因此串励电动机⼜称为通⽤电动机(UniM)，或称串激电机。
通⽤电动机的定⼦上装有主磁极绕组，主磁极上的励磁绕组产⽣极性为N 机和S 极交替排列的p 对定⼦磁场。励磁线圈既可以由直流电励磁，也可以由交流电励磁。转⼦上分布的绕组称为电枢绕组，与换向器相连，换向器跟随转⼦⼀起旋转。
电刷与换向器始终保持电连接，当电流经电刷和换向器流⼊旋转的电枢绕组时，在转⼦电流和定⼦磁极产⽣的磁场的相互作⽤下产⽣了电磁转矩。
换向器使电枢绕组磁势在空间分布是固定的，该磁势轴线始终与永磁体产⽣的磁势轴线垂直。对于这些电动机来说，换向器起到了机械整流的作⽤。
通常，在频域范围内分析通⽤电动机的性能，通⽤电动机的电压⽅程为：
I
I I ZI U )()(j )(af aa e af f a b f a G G M 2L L R R R +++++++==ωω (18.1)
式中，R a 、R f 和R b 分别表⽰电枢电阻、励磁绕组电阻和电刷接触电阻，L a 、 L f 和M af 分别是电枢⾃感、励磁绕组⾃感和⼆者之间的互感，G aa 和G af 分别是电枢电流和励磁电流对应的感应电动势系数，ω是电枢电流的⾓频率，ωe 是转⼦速度（⽤每秒的电弧度来表⽰），Z 是等效的输⼊阻抗。电感和反电势系数是经线性化处理的⾮线性参数。当电刷轴线与q 轴重合时，
aa
af G M = (18.2)
如果给定转⼦转度ωe ，电枢电流I 可以通过端电压U 计算：
Z U I =
(18.3)
输⼊电功率可以直接通过电压和电流计算得到，如：
cos UI P 1=
(18.4)
输出功率（机械功率）为：
)
(Fe Cuf Cua b fw 12P P P P P P P ++++-= (18.5)
式中的P fw 、P b 、P cua 、P cuf 和P Fe 分别表⽰风摩损耗、电刷压降损耗、电枢铜损耗、励磁绕组铜损
耗和铁⼼损耗。
输出的机械轴转矩T 2为：
e 2
2P T ω=
(18.6)
电机效率为：
%100P P 1
2
=
η
(18.7)
18.2主要特性
18.2.1 ⽀持交流和直流电源供电
通⽤电动机既可以由交流电源供电，⼜可以由直流电源供电。在RMxprt 中，将电源频率设置为0，表⽰由直流电源供电。
18.2.2⽀持单叠绕组和复叠绕组设计
RMxprt ⽀持叠绕组设计，并能通过下式⾃动计算并联⽀路对数。
mp a =
(18.8)
式中的p 为极对数，m 为复倍系数。
18.2.3⽀持单波绕组和复波绕组设计
RMxprt ⽀持波绕组设计，并能通过下式⾃动计算并联⽀路对数。
m a =
(18.9)
式中m 为复倍系数。
18.2.4⽀持虚槽结构设计
直流电机的电枢绕组⼀般为双层绕组。许多情况下，为了简化冲⽚结构，常把⼏个线圈边放在同⼀个槽内，因此槽数Z 将⽐线圈数S 少，他们的关系是
µS
Z =
(18.10)
其中µ为槽中每⼀层的线圈边数，称为虚槽系数。因此每槽导体数为2µ的倍数。RMxprt 能够处理µ≤ 4的各种虚槽设计
18.2.5为有限元电磁场分析输出换向⽂件
当采⽤有限元分析直流电机分析时，必须知道换向元件极性的变化。RMxprt 将与换向元件位置和极性变化的相关数据保存到 ⽂件中，以便Maxwel 2D 分析时调⽤。radius软件
13.3 通⽤电动机设计
这⼀节, 我们将演⽰三相感应电动机设计的⼀般流程。
点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell 12>Maxwell 12从桌⾯进⼊Maxwell 界⾯。从RMxprt 主菜单条中点击 File>New 新建⼀个空⽩的Maxwell ⼯程⽂件Project1。从RMxprt 主菜单栏中点击Project>Insert RMxprt Design 。在Select Machine Type 会话框中选择Universal Motor ，然后点击OK 返回RMxprt 主窗⼝。这样就添加⼀个新的RMxprt 设计。从RMxprt 菜单栏中点击File>Save 。如果想把项⽬另存为wl ，可从下拉菜单选择Save As 然后点击Save 返回RMxprt 主窗⼝。(参见3.2.6设置默认的项⽬路径)
分析这个算例，需要做以下⼏项设置：
1. 设置模型单位(参考章节
2.
3.2.7设置模型单位)： 2. 配置 RMxprt 材料库 (参考章节3.
4.1配置材料库)： 3. 编辑线规库 (参考章节3.3.2到3.3.6)：
当选择Universal Motor 做为电机模型时，必须输⼊如下⼏项：
1. General data. （基本性能数据）
2. Stator data. （定⼦数据）
3. Rotor data. （转⼦数据）
4. Solution data. （解算数据）
18.3.1基本性能设计
在项⽬树下双击Machine图标，可显⽰Properties.对话框。
在如图18.1所⽰的Machine列表下定义基本性能数据。
图18.1 基本性能数据
1. Machine Type：电机类型。
2. Number of Poles：电机极数。其值为定⼦极数的总和（或极对数×2）。
3. Frictional Loss：在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产⽣）
注意：如果将摩擦损耗设为零，RMxprt将根据后⾯换向器和电刷的表页中定义的电刷压⼒和摩擦系数来计算摩擦损耗。
4. Wind Loss：参考转速下测得的风阻损耗（由空⽓阻⼒产⽣）
5. Reference Speed：所给的参考转速。
点击OK关闭Properties对话框。
18.3.2定⼦设计
定⼦由冲⽚叠压制成，三相交流绕组安放其中。
双击项⽬树中的Machine>Stator图标，显⽰Properties对话框。
在如图18.2所⽰的Stator列表中输⼊定⼦数据。
图18.2 定⼦数据
1. Outer Diameter：定⼦外径。
2. Inner Diameter：定⼦内径。
3. Length：定⼦铁⼼的轴向长度。
4. Stacking Factor：定⼦的迭压系数
5. Steel Type：定⼦铁⼼材料类型（参考7.3节设置材料类型）
点击OK关闭Properties对话框。
18.3.2.1定义定⼦磁极
双击项⽬树下的Machine>Stator>Pole图标，显⽰特性Properties对话窗⼝。
在Pole表页中定义定⼦主磁极的尺⼨，如图18.3所⽰。
图18.3 磁极尺⼨
1. Embrace：极弧系数，其值在0到1.之间，磁极类型为4时不可⽤
2. Offset：定⼦中⼼与极弧表⾯中⼼的距离。输⼊0表⽰⽓隙均匀
3. Pole Width：最⼩极宽。
4. Ty：轭厚。
5. Ts：靴顶厚度。
6. R1：极洞半径。如果没有设计极洞，输⼊0。
7. R2：极边圆⾓半径。
8. R3：磁极中⼼侧⾯圆弧半径。
9. R4：与弧相连处的极靴半径。输⼊0，则⾃动设计这个尺⼨。若为直线连接也输⼊0。
10. R5：两极间的螺钉孔内径。若设计时没有孔则输⼊0。
11. R6：两极间的螺钉孔外径。若设计时没有孔则输⼊0。
极弧的尺⼨如图18.4所⽰。
点击OK关闭弹出的Properties对话框。
图18.4 磁极轮廓
18.3.2.2定义定⼦励磁绕组
双击项⽬树下的Machine>Stator>Field图标，显⽰特性Properties对话窗⼝。
在Winding表页中定义定⼦绕组和绝缘数据，如图18.5所⽰。
图18.5 励磁绕组数据
1. Insulation Thickness：定⼦铁⼼和励磁绕组之间的绝缘厚度。
2.End Adjustment：定⼦线圈的端部伸出长度，指的是定⼦绕组垂直伸出铁⼼部分。
3. Parallel Branches：定⼦绕组的并联⽀路数。
4. Turns per Pole：定⼦磁极每极匝数。0表⽰⾃动设计每极匝数。
5. Number of Strands：并绕根数。0表⽰RMxprt⾃动设计。
6. Wire Wrap：双边漆膜厚度。0表⽰在导线库中⾃动选择。
7. Wire Size：裸线直径，0表⽰⾃动设计（参考7.4.1节设置圆导线）。
点击OK关闭弹出的Properties对话框。
18.3.3转⼦设计
转⼦上开槽，槽⾥嵌有电枢绕组，与换向器相连，换向器在转⼦中起机械整流器的作⽤。
双击项⽬树上的Machine>Rotor图标，显⽰Properties对话框。
在Rotor表页中定义转⼦数据，如图18.6所⽰。
图18.6 转⼦数据
1. Stacking Factor：迭压系数，此系数和转⼦铁⼼的有效铁⼼长度有关，值为0到1。由总长度减去所有冲⽚绝缘部分之差再除以总长度得到。值为1表⽰实⼼转⼦。
2. Number of Slot：槽数
3. Slot Type：转⼦铁⼼槽型（参考7.1.1节槽型）
1) 点击Slot Type显⽰Select Slot Type对话框。
2) 选择⼀种槽型（有6种类型可⽤）
3) 点击OK关闭Select Slot Type对话框。
4. Outer Diameter：转⼦铁⼼外径。
5. Inner Diameter：转⼦铁⼼内径。
6. Length：转⼦铁⼼的轴向长度。
7. Steel Type：转⼦铁⼼材料类型（参考7.3节设置材料类型）
8. Skew Width：⽤槽数度量的斜槽宽度
点击OK关闭Properties对话框。
18.3.3.1定义转⼦槽
双击项⽬树中的Machine> Rotor >Slot图标，显⽰Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。
在如图18.7所⽰的Slot卷标中定义定⼦槽型的⼏何数据。
点击OK关闭Properties对话框。