MotorSolve使用指导.doc
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MotorSolve使用指导
海基科技
目录
1MotorSolve界面 3
1.1模板中的参数 3
1.2命令栏 3
1.3设计栏 3
1.3.1总体设计 3
1.3.2转子设计 3
1.3.3定子设计 14
1.3.4绕组设计 22
1.4结果栏 25
1.4.1Coggingtorque齿槽转矩 25
1.4.2Transientanalysis瞬态分析 26
1.4.3PWManalysispwm分析 28
1.4.4D-QanalysisD-Q分析 30
1.4.5Lumpedparameters集总参数 31
1.4.6Airgapflux气隙磁通 32
1.4.7Instantaneousfield瞬时场图显示 33
1.4.8Time-averagedfield平均场图显示 33
1.4.9Fieldlinechart场图直线采样 34
1.4.10Fieldarcchart场图圆弧采样 34
1.5材料 35
1.5.1材料属性显示 35
1.5.2材料定义窗口 36
1.6显示区域 37
1.6.1模型显示 37
1.6.2场图显示 37
1.6.3曲线显示 39
1.6.4总结对比 40
1.6.5形成报告 40
2内置横向永磁体直流无刷电机设计 41
2.1总体设计 41
2.2转子设计 42
2.3定子设计 42
2.4绕组设计 43
2.5齿槽转矩计算 43
2.6Ld、Lq计算 44
1MotorSolve界面
主要包括电机管理面板、参数输入面板以及显示窗口。
电机管理面板主要包括命令栏、设计栏、结果栏以及材料栏。
1.1模板中的参数
定子和转子模板都是采用参数化，以方便用户灵活的使用。
这样就产生了许多额外的参数来描述模型的几何尺寸。
例如，定子模板中就有外直径、内直径、槽深以及铁轭深四个参数，然而我们只要其中三个参数就可以描述定子尺寸，改变三个参数中的任何一个，第四个参数就会相应得做出变化。
另外，如果所有的参数都被赋值，法则是最近做出更改的参数具有优先权。
1、有时候当参数发生变化时，会出现错误提示框，表示不能收敛或者违反了规则。
2、转子直径的变化会影响定子内径的变化，反之也一样，这是为了保持一定的气隙高度。
3、改变电机的外直径将会放大或者缩小整个电机。
1.2命令栏
包括新建一个工程、打开、保存、另存、退出以及帮助等。
1.3设计栏
设计栏包括总体设计、转子设计、定子设计以及线圈绕接方式设计四大部分。
1.3.1总体设计
设置电机主要参数，电机定子和转子的类型等。
1、名称
2、电机相数
3、电机极数
4、电机槽数
5、电机外直径
6、气隙高度
7、叠片长度（stacklength）：
电机纵向长度
8、转子类型
9、定子类型
10、单位设置
11、显示平滑设置
1.3.2转子设计
转子共包括11种类型，下面对其进行详细介绍：
1、面置径向冲磁永磁体（Surfacemountedwithradialmagnets）
主要包括以下几个参数：
A、core核心参数，指定转子铁心的高度；
B、diameters直径，指定转子的内径和外径；
C、fillets切片，magnettipradius：
永磁体外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；
D、general大体参数
Skew斜槽、skewangle斜槽角度、numberofmagnetsperpole每极下磁铁个数、temperature温度、rotormaterial转子材料、magnetmaterial永磁体材料。
E、magnet永磁体参数
magnetangle永磁体圆弧的角度：
Magnetgapangle两块永磁体之间气隙的角度：
magnetthickness永磁体厚度：
2、面置平行冲磁永磁体（Surfacemountedwithparallelmagnets）
主要包括以下几个参数：
A、core核心参数，指定转子铁心的高度；
B、diameters直径，指定转子的内径和外径；
C、fillets切片，magnettipradius：
永磁体外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；
D、general大体参数
Skew斜槽、skewangle斜槽角度、numberofmagnetsperpole每极下磁铁个数、temperature温度、rotormaterial转子材料、magnetmaterial永磁体材料。
E、magnet永磁体参数
magnetangle永磁体圆弧的角度、Magnetgapangle两块永磁体之间气隙的角度、magnetthickness永磁体厚度、
magnetwidth永磁体宽度：
3、内置永磁体辐条式（Spokewithembeddedmagnets）
主要包括以下参数：
A、core核心参数
corebridge核心桥宽，具体如下图：
Mid-corehubthickness核中心厚度：
Mid-magnethubthickness永磁体中心处核厚度：
Slitdepth裂缝深度：
Slitinsetbottom裂缝底部深度：
Slitinsettop裂缝顶部深度：
Slitwidth裂缝宽度：
B、diameters直径，指定转子的内径和外径；
C、fillets切片，Coreinsetradius：
放置永磁体的槽外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；
D、general大体参数
Skew斜槽、skewangle斜槽角度、numberofmagnetsperpole每极下磁铁个数、temperature温度、rotormaterial转子材料、magnetmaterial永磁体材料。
E、magnet永磁体参数
Magnetinnergap永磁体与hub的距离：
Magnetoutergap永磁体与corebrige之间的距离：
magnetthickness永磁体厚度；
magnetwidth永磁体宽度。
4、非内置永磁体辐条式（Spokewithnon-embeddedmagnets）
主要参数：
A、core核心参数
corebridge核心桥宽、Mid-corehubthickness核中心厚度、Mid-magnethubthickness永磁体中心处核厚度、Slitdepth裂缝深度、Slitinsetbottom裂缝底部深度、Slitinsettop裂缝顶部深度、Slitwidth裂缝宽度；
B、diameters直径，指定转子的内径和外径；
C、fillets切片，Coretipradius：
放置永磁体的槽外表面角的圆半径（使尖角圆弧化）；
D、general大体参数
Skew斜槽、skewangle斜槽角度、numberofmagnetsperpole每极下磁铁个数、temperature温度、rotormaterial转子材料、magnetmaterial永磁体材料。
E、magnet永磁体参数
Magnetinset永磁体与hub的距离、magnetthickness永磁体厚度、magnetwidth永磁体宽度。
5、非内置面置拱形永磁体式（Bread-loafwithnon-embeddedmagnets）
6、内置横向永磁体式（IPMwithlateralmagnets）
7、内置曲形永磁体式（IPMwithcurvedmagnets）
8、内置插入横向永磁体式（IPMwithinsetlateralmagnets）
9、内置倒角栅栏永磁体式（IPMwithangledbarrier）
10、内置V型栅栏永磁体式（IPMwithV-shapedbarrier）
11、内置可变方向永磁体式（IPMwithvariableorientationmagnets）
1.3.3定子设计
根据定子槽形，定子包括9种类型。
下面对其进行详细说明：
1、square方槽
主要参数如下：
A、Diameters直径参数
backirondepth后部铁轭深度：
innerdiameter内径：
outerdiameter外径：
B、Fillets切片
Bottomshaftradius槽底轴半径：
Toothtangradius齿顶点半径：
Topshaftradius槽底部角半径（圆弧化）：
C、general大体参数
Skew斜槽、skewangle斜槽角度、numberofmagnetsperpole每极下磁铁个数、temperature温度、rotormaterial转子材料、coilmaterial线圈材料。
D、定子齿参数
Bifurcationradius齿上分槽半径：
Shanklength齿骨长度：
Slotarea槽面积；
Slotdepth槽深：
Toothgapangle两齿之间的角度：
Toothgapwidth两齿之间距离：
Toothtangangle：
槽底与齿靴斜面夹角：
Toothtangdepth齿靴高度：
Toothwidth齿宽：
2、round圆槽
3、ParallelTooth平行定子齿
4、GeneralSquare普通方槽（顶窄底宽，与方槽相反）
5、GeneralRound普通圆槽
6、ParallelSquare平行方槽
7、ParallelRound平行圆槽
8、Parallel平行槽
9、Slotless无槽
1.3.4绕组设计
所谓“绕组”，是指一些按一定的规律连接起来的线圈的总和。
绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生力或转矩驱使转子带动外负载一起转动（其大小和方向可由左手定则确定），从而决定了电动机的运动过程。
转子磁钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又影响电动机内电动势的平衡关系。
可见通电绕组和磁场之间的相互作用，是电动机内部机电能量转换的主要媒介。
绕组的具体结构和连接方式对机电能量转换过程、感应电动势、电路参数和电磁转矩等基本问题有重要的作用。
在直流无刷电机中，绕组又分为单层绕组和双层绕组。
每个槽内放置一个绕组边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个绕组边时，且分为上、下层时，称为双层绕组。
双层绕组一般都采用短距绕组，其节距y在0.8左右，以使其5次和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节省材料（因为绕组的端部接线缩短了）。
主要参数如下：
1、general大体设计参数
A、Layoutmethod绕接方法：
分为自动和手动两种方法；
B、Endwindingresistance每相绕组端部电阻（单位欧姆）；
C、Endwindinginductance每相绕组端部电感（单位亨特）；
D、Numberofparallelpaths并联支路数；
E、Wiresizemethod电磁线尺寸设置方法：
指定电磁线面积的计算方法（每相绕组winding由W个线圈coil串并联组成，每个线圈由放置在不同的两个槽里面的导体端部连接生成，每个槽里有N匝导体conductor，每个导体由M条电磁线strand并绕而成）
①Fillfactor槽满率，指定不包含绝缘的导体截面积相对于不含衬垫的槽的面积；
②Strandarea电磁线截面积；
③Stranddiameter电磁线直径；
④AWGnumber美国标准线规；
⑤SWGnumber英制标准线规；
⑥MWGnumber，theMetricWireGauge；
⑦Rectangular矩形电磁线；
⑧Numberofstrandsinhand并绕线数，即形成一个导体的电磁线并绕根数；
2、Layout:
Automatic绕接方式：
自动
A、Windingtype指定同一相的绕组如何交叠，有两种方式：
①Lap叠绕组
②Concentric同心绕组
B、Coilspan线圈的跨距（第一节距）
C、Numberoflayers槽中线圈的层数（单层和双层）
D、Numberofcoilsperset：
线圈组（极相组），把属于同一个极下同一相的所有线圈串联在一起成为一个极相组（线圈组）；
E、Phaseoffsets两相开始槽距离（槽数）
F、Layout绕组设计
G、Numberofturns匝数
3、Layout:
Manual绕接方式：
手动
A、PhaseBoffset
B、PhaseCoffset
C、NumberofphaseAcoils
D、NumberofphaseBcoils
E、NumberofphaseCcoils
F、LayoutofphaseA
G、LayoutofphaseB
H、LayoutofphaseC
4、ViewingOptions（Chart）图表显示选项
A、Chartdisplay图表显示
BackEMF反电动势
BackEMFharmonics反电动势谐波分析
Windingfactors绕组因数（短距因数和分布因数的乘积），绕组因数较低，对电机的感应电动势及基波磁动势削弱较多，因此，绕组因数越高越好。
B、Effectivepoleangle：
有效磁极电角度，永磁体磁极的有效宽度（电角度），其值>0<=180，它与实际磁极电角度的比值为计算极弧系数。
5、ViewingOptions（Model）模型显示选项
A、Phasestodisplay
B、Animation
6、右图显示窗口
A、Windingfactors：
绕组因数，各相的平均值，本处显示的是基波分量的绕组系数；
B、Angularspread：
角展度，当采用自动绕组连接时，将会有多种绕组连接方式，Angularspread用来评估这些方式的绕组的质量；具体意思：
当槽#1的电流是峰值时，假设转子上的某一点对应槽#1的中心，当转子旋转时，对应于槽#1的这一点将会路过其他的槽，此时，每个槽里面的电流理论上也将分别出现峰值。
每个槽的Angular误差就是槽里面实际电流相位和理想电流相位之差。
Theangularspread就是所有槽的Angular误差的最大值和最小值的差。
C、Conductorarea：
槽中导体的面积；
D、Fillfactor：
槽满率。
1.4结果栏
Coggingtorque
Transient
analysis
PWM
analysis
D-Q
analysis
Lumpedparameters
Airgapflux
原理
1、如果将瞬态分析中Peaklinecurrent设置为零，也可得到齿槽转矩；
2、如果将PWM分析中的Setpointlinecurrent设置为零，也可得到。
特点
快捷得到齿槽转矩
曲线
显示
形式
1、瞬态
2、平均
3、谐波含量的幅值
4、谐波含量的相位
1、瞬态
2、平均
3、谐波含量的幅值4、谐波含量的相位
1、磁密
2、谐波含量的幅值
3、谐波含量的相位
纵坐标
齿槽转矩
1、energy磁储能
2、coenergy磁共能
3、torque转矩4、energyderivative
5、inputpower输入功率6、outputpower输出功率7、ohmicloss欧姆损耗8、ironloss铁芯损耗9、totalloss总损耗10、windingvoltage绕组电压11、line-linevoltage12、windingcurrent13、linecurrent14、fluxlinkage
1、torque转矩2、energyderivative3、inputpower输入功率4、outputpower输出功率5、loss损耗6、windingvoltage绕组电压7、linevoltage8、line-linevoltage
9、windingcurrent
10、linecurrent
11、backEMF
12、fluxlinkage
1、torque转矩2、inputpower输入功率3、outputpower输出功率4、loss损耗5、efficiency效率6、powerfactor功率因数7、Vp电压峰值8、Vd直轴电压9、Vq交轴电压10、Ip电流峰值
11、Id直轴电流12、Iq交轴电流13、Phi磁通峰值14、Phi_d直轴磁通15、Phi_q交轴磁通16、momentofinertia转动惯量
1、Ld直轴电感
2、Lq交轴电感
3、Xd直轴电抗
4、Xq交轴电抗
5、Rs定子绕组电阻
6、Phi_m零轴电流磁通
7、Phi_d直轴磁通
8、Phi_q交轴磁通
9、momentofinertia转动惯量
气隙磁密
横坐标
电角度
机械角度
时间
1、不同的设计方案
2、导通超前角
3、转速
1、不同的设计方案
2、电流有效值
3、导通超前角
4、转速
1、不同的设计方案
2、电流有效值
电角度
机械角度
1.4.1Coggingtorque齿槽转矩
ØNumberofdatapoints，数据个数，值越大，时间越长；
ØSpeed/Accuracytradeoff速度/精确度权衡
1.4.2Transientanalysis瞬态分析
瞬态分析远比pwm分析精确，它采用时步有限元法进行求解，可以考虑材料的非线性。
然而他假设电机连接在理想的电流源（例如没有电压限制），这种情况是不现实的，特别是在高速运行时。
还有就是瞬态分析计算时间比pwm计算时间要长，所以，转速和超前导通角的曲线不易得到因为要消耗很多的时间。
这种分析方法能很好的验证pwm分析结果：
当将pwm分析中的仿真类型从“PWM三相桥式”变为“DC驱动”，此时pwm分析中输入电机的电流波形和瞬态分析中电流波形是一致的。
1）Displaymethod显示方法
ØInstantaneous瞬时
ØTime-averaged平均
ØHarmoniccontentamplitudes幅值谐波分析
ØHarmoniccontentphases相位谐波分析
2）Resultquantities结果种类
A、Instantaneous瞬时B、Time-averaged平均
C、Harmoniccontentamplitudes幅值谐波分析D、Harmoniccontentphases相位谐波分析
主要显示的结果有：
energy磁场储能、coenergy磁共能、torque转矩、energyderivative（dUm/dt）等等。
3）Phasestodisplay
4）Designs：
设计方案；
5）Drivetype驱动方式：
分为正弦波和六脉冲波
6）Connectiontype连接方式：
分为星型和三角型连接
7）Peaklinecurrent线电流峰值
设定线电流峰值（安培），例如三角形连接绕组，对于正弦波驱动，线电流峰值是相电流峰值的倍；对于六脉冲驱动，线电流峰值是相电流峰值的3/2倍。
注意：
同超前导通角一起共同决定线圈电流的幅值和相位。
8）Advanceangle超前导通角
定义定子磁通超前转子q轴的电角度。
9）Rotorspeed转子转速（rpms每分钟转速）；
10）NumberofFEApoints：
定义有限元分析中点的个数；它和下面的周期的乘积决定计算结果数据的个数；
11）Periodicity周期，定义计算转矩波形的长度，以占一个电角度周期中多少来表示（最大为6），如果忽略铁芯损耗，默认值为6，如果不能忽略铁芯损耗，默认值为1；如果周期大于1，则
12）Numberofharmonics谐波次数
13）Ignoreironloss忽略铁耗
14）Speed/Accuracytradeoff速度/精确度权衡
1.4.3PWManalysispwm分析
Pwm分析方法是功能非常强大的一种分析方法，他模拟电机连接到三相桥式电路。
Pwm分析方法的局限性：
理解pwm分析原理有助于避免错误结果，因为相对于转速来说，pwm的频率相当高，所以采用时步有限元法不是很实际。
因此采用其他算法代替，即电机模型由很多小的有限元分析方法完成，模型采用三相桥式电路和电流逻辑控制，模型可以考虑磁饱和特性，然而由于模型是线性的，因此某些饱和特性不能观察。
结果的准确性通过瞬态仿真进行验证。
采用pwm分析的电机模型的准确性可以在一定程度上进行控制，电机模型包含以下三个基本特性：
i.Back-EMF反电动势
ii.CoggingTorque齿槽转矩
iii.InductanceMatrix电感矩阵
前两个参数可以通过增加Numberofback-EMFharmonics来提高准确度，因为有限元法可以充分考虑磁场饱和情况；电感矩阵可以通过增加Numberofinductanceharmonics来提高精度，但是模型是假设磁通随着线圈电流线性变化的，而实际上并不是线性变化的。
由于电流增加而引起的饱和现象依然可以通过FEAcurrent（
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