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RMxprt使用手册
RMxprt 使用手册Ansoft 公司中国代表处01 RMxprt 一般流程本章和下一章简要介绍如何进入 RMxprt 软件环境和快捷掌握主要功能的应用。其基本工作 流程如下：进入 Maxwell 控制板建立项目，进行项目管理。如：查找、复 制、调用、编写项
目说明等进入 RMxprt 主窗口，输入、修改设计数据，分析计算 结果，输出特性曲线，查看冲片结构图和绕组布置图建立建立2D Maxwell 有限元电磁 场分析模型Simplorer 系 统仿真的电 机模型2 使用快捷入门2.1 2.1.1 Maxwell 项目管理器 进入 Maxwell 控制板根据所使用的操作系统，点击 Maxwell Control Panel 图标（对于 Windows 系统）或键入命 令 maxwell & (对于工作站系统)，出现 Maxwell Control Panel 界面：六个命令框的主要功能如下： ANSOFT PROJECT TRANSLATORS PRINT UTILITIES EXIT Ansoft 产品及联络介绍 进入项目管理方式 提供几种不同软件之间的格式转换 屏幕打印功能 几项辅助工具 退出 Maxwell 软件控制板12.1.2启动项目管理器点击 PROJECT 命令框，出现项目管理器 Maxwell Project 界面。 项目管理器有三个功能区： Projects (左上区): Project (右区): 选择已有项目或创建新项目以及相关的项目管理功能， 更名、 如： 压缩、 删除、复制、移动、查找等。 显示被选项目的相关信息，以及打开项目，运行软件，编写项目说明， 项目修复，显示项目的几何图形等功能。 Project Directories 实现对存放项目的文件夹进行结构管理的功能 (左下区), 如：创建、删 除文件夹；使用别名便于快速调用；改变路径查找现有的项目。22.1.3创建项目文件夹⑴ 点击左下区 Project Directories 中的 Add 命令框， 出现添加新项目文件夹 Add a new project directory 窗口。 在具有文件夹结构树浏览功能的 Sub Directories 窗口中， 双击欲选的文件夹 （注： 双击 ../ 可进入上一级目录） ，则所选择的路径显示在 Current Directory 栏中。 ⑵ 在 Alias 栏中键入自己选定的别名 (注：这个别名并不是文件夹名，而是建立一个指向 Current Directory 栏中路径的指针，以便于快速调用此路径文件夹中的项目)。 ⑶ 若欲将别名建在 Current Directory 路径的下一级目录中，可选择右下角的 Make New Directory 栏，并键入下一级路径的文件夹名。⑷ 点击 OK, 关闭 Add a new project directory 窗口。 在 Maxwell Project 窗口左下区 Project Directories 的列表栏中， 出现所选的别名。 随后建立的 项目都将存放在此别名所指向的文件夹中。32.1.4建立新项目⑴ 在左上区 Projects 中点击 New 命令框， 弹出 Enter project name and select project type 窗口。⑵ 在项目名称 Name 栏中键入项目名。 项目名可由 a 到 z、 到 Z 和 0 到 9 中的任意字符组 A 成，长度不超过 32 位。注意项目名不要使用下列保留字：current、initial、empty、last、mesh、 fileset1、fileset2、previous、seeded 和 port。 ⑶ 在 Type 的下拉菜单中选择软件的类型和版本。 ⑷ 在 Created By 栏中键入自己的名字或代码。 点击 OK，关闭窗口。项目名称出现在 Project Manager 窗口左上区 Project 的列表中。4双击项目名（或者单击项目名，再点击 Open 命令框） ，弹出 Rmxprt 的电机类型选择 Select Machine Type 窗口，选好类型，点击 OK, 进入电机参数输入和软件运行窗口。52.1.5从已有项目中移植数据⑴ 在左上区 Projects 中点击 Copy 命令框，弹出 Select project to copy from and enter target name 窗口。⑵ 在具有文件夹结构树浏览功能的 Sub Directories 窗口中， 双击欲选的文件夹 （注： 双击 ../ 可进入上一级目录） ，或者，在 Project Directories 栏中直接选中项目文件夹的别名，则所选择6的路径显示在 Current Directory 栏中。 ⑶ 选定文件夹后，在 Projects 栏列表中，选定欲复制移植的项目，则该项目名自动出现在 窗口下方 Copy project From: 的右边。 ⑷ 如果只需要复制移植该项目的输入数据，而不需要其计算结果，请选中 Model Only。 ⑸ 在 To: 右边的栏框中键入新的项目名。 注意不要使用保留字 （参见 2.2.4 建立新项目 中 的说明⑵ ） 。 ⑹ 点击 OK， 完成项目移植， 回到 Project Manager 窗口。 新项目出现在 Projects 列表中 (新 项目的路径与被移植的项目相同)。2.1.6编辑项目说明在 Maxwell Projects 窗口的右区中选择 Notes， 然后在 Notes 下方的栏框中点击鼠标左键， 即 可在此框中输入或编辑修改项目的说明信息，例如：项目创建日期，项目特点描述等等。点击 Save Notes 命令框保存项目说明。2.2运行示例项目本节以永磁无刷直流电机为例，使读者快速掌握如何使用 RMxprt 的主要功能。2.2.1打开已有的项目文件在项目控制板窗口中点击项目命令框 PROJECTS出现 Maxwell Projects 窗口，点击 Change Dir… 命令框7在 Change to project directory or sub directory 窗口中的 Current Directory 栏中改变路径为 ansoft/examples/rmxprt5/bldc点击 OK，回到 Maxwell Project 窗口，在 Projects 栏中双击打开 ws-1 项目，永磁无刷直流电8机设计窗口弹出。2.2.2 观察输入数据 2.2.2.1 总体要求数据 General Data使用 General 窗口输入总体要求数据⑴ 额定功率 Rated Output Power 的输入数据为 0.55kW。 ⑵ 额定电压 Rated Voltage 的输入数据为 220V。 ⑶ 极数 Number of Pole 的输入数据为 4。 ⑷ 额定转速 Rated Speed 的输入数据为 1500 rpm。 ⑸ 风摩损耗 Friction Loss 的输入数据为 11W (风摩损耗一般取额定功率的 2%~3%,本例中 取 2%)。 ⑹ 驱动电路类型 Circuit Type 选 C2。 本例是两相电机和四对晶体管组成的 220VDC 开关驱动电路。C2 代表交叉型两相电路，见 图所示。开关顺序如下；? ? ?对应 A 相为正向最大时，T1A 和 T1B 开通而其他关断 对应 B 相为正向最大时，T2A 和 T2B 开通而其他关断 对应 A 相为负向最大时，T3A 和 T3B 开通而其他关断9?对应 A 相为负向最大时，T4A 和 T4B 开通而其他关断⑺ 触发超前角 Lead Angle of Trigger 设置为电角度 0 度以使触发相获得最大平均感应电压。⑻ 触发脉宽 Trigger Pulse Width 为 90 电角度。 ⑼ 晶体管压降 Transistor Drop 为 2V。 ⑽ 二极管压降 Diode Drop 为 2V。 ⑾ 工作温度 Operating Temperature 为 75 摄氏度。 ⑿ 选择转子位置 Rotor Position 为内转子 Inner。 ⒀ 斩波电流控制框 Chopped Current Control 不选择 (本电机不采用电流斩波控制） 。2.2.2.2 定子数据 Stator Data使用 Stator1 和 Stator2 窗口输入定子数据 ⑴ 选择 stator1 输入窗10⑵ 定子外径 Outer Diameter 的输入数据为 120mm。 ⑶ 定子内经 Inner of Diameter 的输入数据为 75mm。 ⑷ 槽数 Number of Slots 的输入数据为 24。 ⑸ 斜槽宽度 Skew Width 的输入数据为 1 (斜 1 个槽距)。 ⑹ 定子槽型 Slot Type 选 2 (斜颈圆底)。 ⑺ 自动设计框 Auto Design 不选择 (本例未采用槽型自动设计功能)。 ⑻ 输入下述槽型尺寸 Slot Dimensions 数据： ? ? ? ? ? ? Hs0 为 0.5 Hs1 为 1.0 Hs2 为 8.2 Bs0 为 2.5 Bs1 为 5.6 Bs2 为 7.6⑼ 选择 Stator2 窗⑽ 定子铁心长度 Length of Stator 的输入数据为 65mm。 ⑾ 定子叠压系数 Staking Factor 的输入数据为 0.95。 ⑿ 硅钢片牌号选 MI9-24G。这是一种用于定子叠片的非线性软磁钢材料。注：使用 RMxprt 主窗口的下拉菜单 Materials/BH 命令，用户可以建立自己的铁心材料数据库，详见本手册中 3.1 软磁材料。 ⒀ ⒁ 单边槽绝缘厚度 Slot Insulation 的输入数据为 0.3mm。 绕组端部伸出铁心直线部分长度 End Adjustment 的输入数据为 0。本例线圈出槽口即 转弯，故输入为 0。11注：由于每个电机厂的线圈工艺不同，RMxprt计算出的线圈平均匝长与实际值可能会有一定的出入，因此 End Adjustment 可用作调整环节。当绕组实测电阻值大 于计算值时，可增大 End Adjustment 的输入值。反之，则减小 End Adjustment 的输入值，甚至取负值。 ⒂ 绕组类型 Winding Type 选 21。21 表示双层叠绕组。注：关于绕组的类型，详见本手册中 4 绕组。⒃ ⒄ ⒅ ⒆ ⒇ 并联支路数 Parallel Branches 为 1，即每相所有槽内的线圈全部串联。 每槽导体数 Conductor Per Slot 的输入数据为 60。对于双层绕组即线圈匝数为 30。 线圈跨距 Coil Pitch 的输入数据为 5。本例整距为 24 槽/4 极 = 6，采用短距 5，即线圈 从第 1 槽跨到第 6 槽。 线圈并绕根数 Wire Per Conductor 的输入数据为 1，本例不采用多股并绕。 电磁线绝缘层厚度 Wire Wrap 的输入数据为０。 这表示 RMxprt 将自动从线规库中查取 该线规对应的绝缘层厚度数据。 (21) 线规 Gauge 选择自动设计 Auto。本例由 RMxprt 自动优选电磁线直径和相应的线规 代码。当选择 Auto 自动设计线规时，电磁线直径框自动设置为 0。注： RMxprt 主窗口的下拉菜单 Materials/Wires 命令，用户可以建立自己的电磁 使用线材料数据库。关于电磁线规和绝缘层厚度的说明详见本手册 3.3 电磁线规。2.2.2.3 转子磁极数据 Rotor Pole Data使用 Rotor Data 窗口输入转子数据。12⑴ 转子类型 Rotor Type 选择 1。 ⑵ 气隙 Air Gap 的输入数据为 0.5mm.（指定转子铁心之间的间隙） 。 ⑶ 转子内径 Inner Diameter 的输入数据为 26mm。这也就是与轴配合的直径。 ⑷ 转子铁心长度 Length of Rotor 的输入数据为 65mm。本例转子铁心长度与定子相同。 ⑸ 叠压系数 Stacking Factor 的输入数据为 0.95。 ⑹ 硅钢片牌号 Steel Type 选 M19-24。本例转子与定子冲片套裁，故硅钢片牌号，叠压系数 均相同。 ⑺ 极弧偏心距 Pole Arc Offset 的输入数据为 0。 构成转子磁极的永磁弧片的圆心不一定与 转子同心。 在非均匀气隙电机中，这两个圆心之间有一个偏心值。 RMxprt 将此称为 极弧偏心距 Pole Arc Offset。 本例电机采用均匀气隙, 故偏心距为 0。13⑻ 极弧系数 Pole Embrace 的输入数据为 0.7。转子极弧系数表示永磁弧片在转子表面的弧 长所对应的转子圆心角与一个转子极所对应转子圆心角的比值。极弧系数为 1 的四极电 机每极永磁弧片在转子表面覆盖 90 度机械角度。同理，极弧系数为 0.667 时，磁极覆盖 60 度机械角度。⑼ 磁钢型号Magnet Type选XG196/96。这种磁钢的剩磁密度为 0.96 Tesla, 矫顽力为 -690KA/m，最大磁能积为 183KJ/m3，相对回复磁导率为 1.0。注： RMxprt 主窗口的下拉菜单 Material/Magnet 命令，用户可以建立自己的永磁 使用材料数据库，详见本手册中 3.2 永磁材料。 ⑽ 磁钢厚度 Magnet Thickness 的输入数据为 3.5mm。2.2.2.4 单位制 Unit SystemRmxprt 中，有关电、磁、功、能的单位均为公制，转速的单位为转/每分钟。14机械尺寸的单位可以使用公制或英制，在下拉菜单工具 Tool 的单位制 Modal Unit 中选择： Metric Unit 为公制，单位毫米(mm)， English Unit 为英制，单位英寸（inch） ， Transfer to English Unit 将公制转变为英制（mm to inch） 。2.2.2.5 输入数据文件 Data FileRMxprt 对每个项目建立两个尾缀分别为.da0 和.da1 的输入数据文件。.da0 为静态数据文件 而.da1 为动态数据文件。这两个文件的动、静配合使用，可给用户带来一些方便： a. b. c. d. 当前使用的数据始终为.da1 的内容； 点击 Run/Analytical Design 时，自动将.da1 中的输入数据刷新，而.da0 中的数据保持不 变。这样便于保留最原始的输入数据； 点击 File/Open 命令，选择.da0 文件，则将.da1 用.da0 的数据刷新。当.da1 的数据因修 改过多而紊乱时，用此方法可恢复使用最初的输入数据； 点击 File/Save 时，.da0 和.da1 两个数据文件同时刷新。当项目完成得到满意结果时， 用此方法保存最后修改的输入数据。2.2.3 求解设计方案 2.2.3.1 设计分析 Analytical Design在对设计方案进行分析前，先进行几项选择： ⑴ 选择工具/选项 Tools/Options，出现选项 Options 窗口:⑵ 将绕组设置 Wire Setting 设为 American (本例电磁线按美国线规标准选取)。 ⑶ 将迈克斯韦尔路径 Maxwell Path 指向 Maxwell 软件安装的目录。 ⑷ 点击 OK，窗口关闭，选项设置完毕。 ⑸ 点击下拉菜单中 Run/Analytical Design，RMxprt 自动对电机方案进行性能和参数计算。 ⑹ 稍等片刻，待计算完毕， 点击下拉菜单中 Post Process/Design Output，弹出 Design Output 窗口，列表显示电机的各种性能数据和特性参数。2.2.3.2 设计结果输出 Design Output设计结果输出 Design Output 分为九个部分：15⑴ 总体要求数据 GENERAL DATA 这一部分数据与在 General 窗口输入的数据相同 ⑵ 定子数据 STATOR DATA 除与线规相关的几个数据外，这部分数据与在 Stator1 和 Stator2 窗口输入的数据相同。因 为输入时选择了自动设计线规功能，RMxprt 计算出下述数据： 电磁线直径 Wire Diameter (mm) : 0.8118 电磁线绝缘厚度 Wire Wrap Thickness (mm) : 0 定子槽满率 Stator Slot Fill Factor (%) : 61.4557 不同厂家生产的电磁线绝缘厚度不同， 一般来说， 电磁线绝缘厚度为电磁线直径的 7%~10%。 本例采用美国线规，其线规材料库数据中的绝缘厚度为 0，故输出值亦为 0。 直径为 0.8118 的电磁线相当于美国线规 20 号，槽满率表示槽面积占用的百分比，即槽内电 磁线截面积 (含电磁线绝缘) 与槽总面积减槽绝缘之差的比值。 现在有了 RMxprt 计算的电磁线直径，你可以返回程序的输入窗口。在电磁线直径 Wire Diameter 栏的下拉菜单中选择 0.8118mm，或者选 20 号线规 20 Gauge， 输入电磁线绝缘厚度 Wire Wrap Thickness (mm) : 0.08。然后点击 Analysis/Analytical Design 运行程序，运行完毕， 点击 Post Process/Design Output, 看一看电磁线绝缘对总槽满率的影响。 电磁线直径 Wire Diameter (mm) : 0.8118 电磁线绝缘厚度 Wire Wrap Thickness (mm) : 0.08 定子槽满率 Stator Slot Fill Factor (%) : 74.165 ⑶ 转子数据 ROTOR DATA 这里的大部分数据与你在 Rotor Pole 窗口输入的数据相同。 不同的是用极弧半径代替了极弧 偏心距，除了机械极弧系数外，还给出了电极弧系数。机械极弧系数是在 Rotor Pole 窗口输入 的。电极弧系数是基于气隙磁密分布，用平均磁通密度与最大磁通密度的比值计算出来的。参见 下图：⑷ 永磁数据 PERMANET MAGNET DATA 这部分显示永磁体的性能数据， 同时还显示去磁磁通密度以及用线性回复磁导率 1.0 计算出16在额定工作点永磁体的磁密和磁场强度。 ⑸ 稳态参数 STEADY STATE PARAMETERS 这一部分显示有关直轴和横轴电感、漏电感、相绕组电阻、定子绕组系数 、直轴和横轴时 间常数、理想力矩常数 KT 和理想反电势常数 KE。 ⑹ 空载磁路数据 NO-LOAD MAGNETIC DATA 这部分显示了定子齿部、轭部和转子轭部的磁通密度。三者中的最大值 1.52Tesla 位于 B-H 曲线的膝部，低于饱和状态。 按磁阻路径的一半分别给出定子齿、定子轭、气隙、转子轭和永磁体的磁压降。 由电枢电流产生的电枢反应安匝折算成去磁磁势。 漏磁通系数计入了转子上未与定子匝链的 磁通。用于计算定子轭和转子轭磁压降的定、转子轭部长度修正系数也在此给出。 本电机空载下的转速为 2001 rpm。 ⑺ 满载数据 FULL-LOAD DATA 在额定输出功率 550W 下计算出电机的下述性能参数： 参数 Parameter 平均输入电流 Average Input Current (对应于一个电压周波的电流波形平均值) 电枢电流的均方根值 RMS Armature Current (一相绕组电流波形的均方根值) 电枢热负荷Armature Thermal Load (绕组电流密度与线负荷的乘积) 电流线负荷 Specific Electric Load (定子绕组电流沿气隙圆周单位长度的分布） 电枢电流密度Armature Current Density (通过定子绕组横截面的电流密度) 风摩损耗 Friction and Wind Loss (额定转速下的通风和摩擦损耗) 铁心损耗 Iron-Core Loss (定、转子铁心的总损耗，与所选的铁 心材料损耗曲线有关) 电枢铜损耗 Armature Copper Loss (定子绕组的电阻总损耗) 晶体管损耗 Transistor Loss (晶体管的开关损耗) 二极管损耗 Diode Loss (二极管的功率损耗) 总损耗 Total Loss (上述各项损耗之和) 输出功率 Output Power (此值由 RMxprt 计算得出) 输入功率 Input Power 额定直流电压与平均电流的乘积） 645.6 W 550 W 95.6 W 0.69 W 9.32 W 53.87 W 20.24 W 11.46 W 4.73 A/mm2 14.97 A/mm 70.88A2/mm3 2.45A 计算值 2.93A17效率 Efficiency (输出功率与输入功率之比) 额定转速 Rated Speed (额定输出功率下的转速) 额定力矩 Rated Torque (额定输出功率时的力矩) 堵转力矩 Locked-Rotor Torque (转速为 0 时的起动力矩) 堵转电流 Locked-Rotor Current (转速为 0 时的起动电流) ⑻ 绕组布置 WINDIGN ARRANGEMENT85.2 % 1562 rpm 3.36 N?m 32.3 N?m 47.6 A这是 A、B 两相整个绕组的排列布置，已将短距 5 的因数考虑在内。点击 Post Process/View Winding Layout 可以看到整个绕组的详细布置图和表格。下述参数以电角度给出： 每槽电角度Angle per slot (180o电角度除以每极槽数 6) A相绕组轴线Phase-A axis (从第一槽中心到A相绕组轴线的电角 度。此轴线与x-轴相差 3.5 槽，即 105o 电角度或 52.5o机械角度) 第一槽中心First slot center (用于计算 A 相绕组轴线的参考) ⑼ 用于瞬态有限元分析的输入数据 TRANSIENT FEA INPUT DATA 这部分数据用于使用瞬态有限元求解器计算电机的性能。 下述电枢绕组的数据对应于一相电子绕组： 匝数 Number of Turns (从出线端子看进去的总匝数) 并联支路数 Parallel Branches 绕组电阻 Terminal Resistance (在输入给定工作温度 75℃下， 定子绕 组的直流电阻) 定子绕组端部漏电感 End Leakage Inductance 下述数据用于两维或三维电磁场分析的等效值： 等效轴向气隙长度 Equivalent Air Gap Length 等效转子叠压系数 Equivalent Rotor Stacking Factor 等效剩磁感应 Equivalent Br 等效矫顽力 Equivalent Hc 转动惯量估计Estimated Moment of Inertia 65 mm 0.95 0.87 T 690 kA/m 0.0015 kg-m2 等效定子叠压系数 Equivalent Stator Stacking Factor 0.95 1.7 mH 1 4.5 ohm 360 0o 105o 30o2.2.3.3 性能曲线 Performance Curves点击 Post Process/Performance Curves， 数据绘图 PlotData 窗口出现，同时弹出一个列表18Open 窗口，可以打开下列曲线：n_curr.dat n_effi.dat n_pow2.dat n_torq.dat wv0_flux.dat wv0_volt.dat wv0_coil.dat wv1_curr.dat wv1_volt.dat输入电流与转速的关系曲线 效率与转速的关系曲线 输出功率与转速的关系曲线 输出力矩与转速的关系曲线 空载下气隙磁通密度的分布曲线 空载额定转速下感应电压曲线 空载额定转速下绕组感应电压曲线 额定转速下负载电流曲线 额定转速下负载电压曲线选中某一曲线，例如 n_curr.dat，点击 OK，在 PlotData 窗口中出现转速---电流曲线。19要再打开其他曲线，点击 Plot/Open， 在列表窗口中双击所选中的曲线， 如：n_effi.dat、 n_pow2.dat、n_torq.dat20还可以把多条性能曲线显示在同一张图中。点击 Plot/New, 出现 Edit Plot 窗口，同时选中多 条曲线，将用不同的 Y 坐标框 Separate Y scales 选中，点击 OK,性能曲线观察完毕，点击 File/Exit，关闭 PlotData 窗口。212.2.3.4 冲片图形 Lamination Drawing点击下拉菜单中 Post Process/View Lamination， 查看定子冲片及槽型和转子横截面， 亦可在 View 菜单中单独选中 Stator 或 Rotor 或 Slots，分别查看定子冲片或转子或槽型的截面形状。 然 后点击 File/Exit 关闭 Lamination Layout 窗口。222.2.3.5 绕组分布图 Winding Layout点击下拉菜单中 Post Process/View Winding Layout 查看两相绕组的布置， 然后点击 File/Exit 关闭 Winding Layout 窗口。2.3创建项目的 Maxwell 2D 二维电磁场分析几何模型至此，已用 RMxprt 完成了一台 550W 无刷直流电机的设计。如果要用 Maxwell 2D 继续对该项目进行二维电磁场分析，可用 RMxprt 非常方便地创建 Maxwell 2D 的几何模型。2.3.1Maxwell 路径和几何模型参数件安装的路径。⑴ 点击下拉菜单 Tool/Options，弹出 Options 窗口，在 Maxwell Path 栏中选择 Maxwell 软23⑵ 在 Field 栏框中对 4 项参数进行设置： Periodic 按几何对称性，电机的结构可分为若干个周期。本例 4 极电机的每极每 相槽数为整数， 故可分为 4 个周期。 选择较小的周期可缩短 Maxwell 2D 的运行时间。 Difference Band Arc 转子与定子错开的电角度。 将气隙沿圆周等分，Band Arc 为每一等分所对应的圆心角，其有效取值 范围为 1°～ 5°，缺省值为 3°。在用二维电磁场 2D Maxwell 进行 力矩分析时，对 Band Arc 的数值比较敏感。数值越小，气隙网格剖分 越细，力矩计算准确度越高，当然计算所需时间也越长。 Teeth to Teeth 选择此项时，转子齿或磁极的中心线与周期剖切的分界线重合；否则， 转子槽或磁极间的中心线与周期剖切的分界线重合。 但定子齿的中心线 总是与周期剖切的分界线重合的。 ⑶ 点击 OK 关闭 Options 窗口。2.3.2观察二维几何模型的几何图形。此图形随 Periodic、Difference 和 Teeth to Teeth 参数的改变而变化。⑴ 点击下拉菜单 Analysis/View Geometry，弹出 2D Modeler 窗口，显示定子和转子横截面 ⑵ 点击下拉菜单 File/Exit，关闭 2D Modeler 窗口2.3.3创建 Maxwell 2D 二维电磁场项目通过设定参数，确定电机的几何模型后，即可创建 Maxwell 2D 项目。 点击下拉菜单 Post Process/Create Maxwell 2D Project， 弹出 Create Maxwell 2D Project 窗口。 分别在 Project Name 和 Path 栏中输入项目名称和路径，点击 Create 即完成 Maxwell 2D 项目的 创建。2.4创建 Simplorer 系统仿真的电机模型点击下拉菜单 Post Process/Create Simplorer Model，弹出 Create Simplorer Model 窗口。分别在 Model Name 和 Path 栏中输入项目名称和路径，点击 Create 即完成 Simplorer Model 项目 的创建。243材料库管理 Materials Library Manager对电机中三种最主要的电磁材料：软磁材料（硅钢片） 、硬磁材料（永久磁钢）和电磁线建 立数据文件库，以便于输入设计数据时快速选用。3.1软磁材料电机的定子和转子铁心一般由非线性软磁硅钢片冲制叠压而成， 也有某些类型电机采用软磁实心整体转子，如：力矩电机、汽轮发电机等。为进行电机的磁场分析和铁心损耗分析，必须先 定义铁心材料的磁化特性 B-H 曲线和损耗 B-P 曲线。3.1.1进入 B-H 磁化特性数据窗口在 RMxprt 主窗口中点击下拉菜单 Materials/BH，弹出 B-H DATA 磁化特性数据窗口。3.1.2 输入磁化曲线和损耗曲线 3.1.2.1 先确定几项特征参数⑴ 选择单位制，English Unit System 为英制，Metric Unit System 为公制。 ⑵ 选择铁心损耗的单位Unit of Loss，W/kg（缺省值）或kW/m3。 ⑶ 在 Standard Loss 栏和 Induction 栏中输入软磁材料的标准损耗，以及对应的磁感应值。 注：若采用标准损耗 Standard Loss，则不再需要输入 B-P 曲线数据，表格中的 W/kg 栏 将自动屏蔽。 ⑷ 在 Reference Frequency 栏中输入 B-H 曲线试验的频率。 ⑸ 在Specific Weight栏中输入材料的比重，单位为kg/m3。253.1.2.2输入磁化曲线和损耗曲线数据⑴ 在 Number of points for B-H curve 栏输入 B-H 曲线数据的点数，例如选 40 点。 ⑵ 选择磁感应增量的类型 Type of Induction Increment。 a． b． 缺省值为 Non-Uniform，不设置自动增量。这样可以根据软磁材料厂商给出的数据 比较灵活地输入。 也可设置自动增量，让磁感应以均匀间距增长的方式输入。 点击 Uniform 命令框， 弹出 Input Induction increment 窗口，输入增量步距，例如 0.05(Tesla)。点击 OK 关闭 Input induction increment 窗口，则在输入表格中以 0.05 的步距自动列出 0~1.95tesla 共 40 点磁感应数据。26⑶ 在表格中输入磁化特性 B-H 曲线和损耗 B-P 曲线数据。273.1.3打开已有的数据文件在 B-H Data 窗口中点击 Open 命令框，弹出 Open a h-b file 窗口。选择所需材料的 B-H 数据文件，点击 打开(O) 命令框，其磁化曲线和损耗曲线数据自动列 于表格中。注：输入的铁磁材料 B-H 曲线和 B-P 曲线数据的准确性，对电机的电磁性能分析的准确性影响很大。建议用户一定要根据材料厂商提供的准确数据输入 B-H 和 B-P 特性曲线。 RMxprt 中提供的一些材料性能曲线仅供参考。283.1.4查看磁化特性 B-H 曲线和损耗 B-P 曲线点击 Draw B-H Curve 命令框，自动绘出磁化特性 B-H 曲线。点击 Draw B-P Curve 命令框，自动绘出损耗 B-P 曲线。293.1.5求取铁心损耗系数⑴ 点击 Advanced 命令框，弹出 Core Loss Coefficient 窗口。⑵ 在 Lamination Thickness 栏输入冲片的厚度，例如 0.5mm。 ⑶ 在 Lamination Conductivity 栏输入冲片的导电率（点击 Default 可得到导电率的缺省值 2e+006） 。 ⑷ 将光标在两个输入栏中切换移动一次，RMxprt 立即根据所输入的损耗曲线数据，用回归 法计算出铁心材料的三个损耗系数， 如图示例 Classical Eddy, Kc = 0.822467， Hysterisis, Kh = 155.206，Excess, Ke = 0。其计算原理如下： 铁心损耗 Pv = Pc + Ph + Pe = Kc?(f?Bm)2 + Kh?f?Bm2 + Ke?(f?Bm)1.5 = K1?Bm2 + K2?Bm1.5 其中： 涡流损耗 Pc = Kc?(f?Bm)2 磁滞损耗 Ph = Kh?f?Bm2 Pe = Pe?(f?Bm)1.5 Kc =π2?σ?d2/6 σ--- 冲片的导电率;2 1.5 2d --- 冲片的厚度f(K1,K2) =∑[ Pvi C (K1?Bmi + K2?Bmi )] = min Pvi, Bmi-----损耗曲线上第 i 点数据 Kh = (k1 - Kc?f02)/f0 Ke = K2/f01.5f0 ---- 损耗曲线试验的频率在 2D Maxwell 电磁场分析中，将使用 Kc、Kh、Ke 三个系数计算铁心损耗。 ⑸ 窗口中的曲线图形，红色为输入的损耗曲线，蓝色为用回归法作出的损耗曲线。 ⑹ 点击窗口右上角的 或者按 回车 键，关闭 Core Loss Coefficient 窗口。303.1.6保存或更名另存数据文件使用 Save 或 Save as 命令，RMxprt 将材料的 B-H 和 B-P 曲线数据以 .h-b 格式保存在 ansoft/rmxprt5/matlib 文件夹中。 ⑴ 点击 Save 命令框，弹出 New BH-curve file 窗口，在 文件名(N) 栏中键入文件名，点击 保存(S)命令框，文件被保存，New BH-curve file 窗口关闭。若以 Open 方式打开文件进行修改编 辑，则点击 Save 命令框时，自动以原文件名保存数据文件。⑵ 若需对数据文件更名另存，点击 Save as 命令框，弹出 Save as 窗口。在 文件名(N) 栏 中键入新的文件名，点击 保存(S) 命令框，数据文件被保存，Save as 窗口关闭。31⑶ 至此已完成 B-H 和 B-P 曲线数据输入，点击 Exit 命令框，关 闭 B-H DATA 窗口。3.2 3.2.1永磁材料 永磁材料性能和主要参数永磁材料属于硬磁材料，其磁滞回线“肥胖” ，包围的面积 大。磁化后，当外磁场撤去时仍然保持相当高的磁性能，因而可 用于永磁电机中产生磁场。永磁材料的性能由其主要参数：剩磁 密度 Br、矫顽力 Hc 和最大磁能积(BH)max 来表征。3.2.1.1退磁曲线磁滞回线永磁材料的最大磁滞回线在第二象限的部 分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲 线。退磁曲线中磁感应强度 Bm 为正值，而磁 场强度 Hm 为负值。 这说明此时作用于永磁体 的是退磁磁场强度。因为 Hm 的方向与 Bm 的 方向相反，磁通经过永磁体时，沿磁通方向的 磁位差不是降落而是升高， 说明永磁体是一个 磁源，类似于电路中的电源。 退磁曲线中的两个极限位置是表征永磁 材料磁性能的两个重要参数。退磁曲线上磁场 强度 H 为零时相应的磁感应强度值称为剩磁 密度 Br，而退磁曲线上磁感应强度 B 为零时 相应的磁场强度值称为矫顽力 Hc。 退磁曲线上任意一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积， 它的大小与永磁体在给定工作状 态下所具有的磁能密度成正比。在退磁曲线的两个极限位置（B=Br, H=0）和（B=0, H=Hc）磁 能积为零，在中间某个位置上磁能积为最大值，称为最大磁能积(BH)max，它也是表征永磁材料 磁性能的重要参数。对于某些退磁曲线为直线的永磁材料，显然在（Br/2, Hc/2）处磁能积最大， 为(BH)max = Br?Hc/4。 退磁曲线和磁能积曲线3.2.1.2回复线退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度之间的关系， 只有在磁场 强度单方向变化时才存在。实际上，永磁电机运行时受到作用的退磁 磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时， 磁通密度沿右图中的退磁曲线BrP下降。 如果在下降到P点时消去外加 退磁磁场强度HP，则磁密并不沿退磁曲线回复，而是沿另一曲线PBR 上升。若再施加退磁磁场强度，则磁密沿新的曲线RB@P下降。如此 多次反复后形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。由于该回线 上的上升曲线与下降曲线很接近，可以近似的用一条直线 PR 来代 替，称为回复线，P点为回复线的起始点。如果以后施加的退磁磁 场强度HQ不超过第一次的值HP，则磁密沿回复线 PR 作可逆变化。32如果HQ & HP，则磁密下降到新的起始点Q，沿新的回复线 QS 变化，不能再沿原来的回复线 PR 变化。 这种磁密的不可逆变化将造成电机性能的不稳定， 也增加了永磁电机电磁设计计算的复杂 性，因而应该力求避免发生。 回复线的平均斜率与真空磁导率 ? 0 （ ? 0 简称为回复磁导率 ? r 。= 4π × 10 ?7 H/m）的比值称为相对回复磁导率，?r =1?0×?B ?H当退磁曲线为曲线时， ? r 的值与起始点的位置有关，是个变数。但通常情况下变化很小， 可以近似认为是一个常数，且近似等于退磁曲线上（Br，0）处切线的斜率值。换句话说，各点 的回复曲线可近似认为是一组平行线， 他们都与退磁曲线上 （Br， 0）处的切线相平行。 有的永磁材料，如部分铁氧体永磁的退磁曲线的上半部分为 直线，当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线就急剧下降，开 始拐弯的点称为拐点。当退磁磁场强度不超过拐点 k 时，回复线 与退磁曲线的直线段相重合。当退磁磁场强度超过拐点后，新的 回复线 RP 就不再与退磁曲线重合了。 有的永磁材料，如大部分稀土永磁的退磁曲线全部为直线， 回复线与退磁曲线相重合，可以使永磁电机的磁性能在运行过程 中保持稳定，这是在电机使用中最理想的退磁曲线。3.2.2进入永磁材料窗口在 RMxprt 主窗口中点击下拉菜单 Materials/Magnet，弹出 Magnet 窗口。333.2.3在输入永磁材料参数表格中输入永磁材料的主要特性参数： Type of Magnet: Coercive Force (kA/m):3永磁材料名称 矫顽力 Hc，单位 kA/mResidual Flux Density (tesla): 剩余磁通密度 Br，单位 tesla Max. Energy Density (kJ/m ): 最大磁能积（BH）max，单位kJ/m3 Relative Recoil Permeability: 相对回复磁导率μr Specific Weight (kg/m3): 按钢的比重设为 7.8。 用鼠标移动表格下的滑块， 可对原有的材料特性参数进行修改， 或在表格的空白处输入新的 材料特性参数。 材料比重，单位kg/m3。若输入零，则RMxprt自动将其注：输入永磁材料特性参数的准确性，对电机电磁性能分析的准确性影响很大。建议用户一定要根据材料厂商提供的准确数据输入永磁材料的特性参数。RMxprt 中提供的一些材料 特性参数仅供参考。3.2.4 绘制退磁曲线及曲线拟合原理 3.2.4.1 绘制退磁曲线点击 Draw B-H Curve 命令框， RMxprt 自动绘出永磁材料的退磁曲线， 显示最大磁能积 （BH） max 在曲线上的位置。BaBrB34? Ha? HcH3.2.4.2 退磁曲线拟合RMxprt 根据给定的 Br、Hc、(BH)max 和μr 参数进行退磁曲线拟合。其主要原理如下。3.2.4.2.1 三参数法曲线拟合给定 Br、Hc 和(BH)max 三个参数，作图如右。 图中： Ha = Hc a ,Ba = Br aa=2Br ? Hc Br ? Hc ? (BH ) max (BH ) maxHa ? Hc Hc ? (1 ? a ) Br ? B ? B = ? Hc + ? B = ? Hc ? Br ? B Br ? a ? B Br ? a ? B在 0≤B≤Br 区间任取一磁密 B，则其所对应的磁场场强 H 为：H = ? Hc +最大磁能积对应的磁密 Bm 为：dB dHH = Hm? dH =? ? dB ?? ? ? B = Br ??1= Br Hc回复线磁导率为：dB dHH =0? dH =? ? dB ?? ? ? B = Br ??1= (1 ? a )Br Hc3.2.4.2.2 四参数法曲线拟合三参数法可以较好地拟合退磁曲线。 但对于非线性的硬磁材料， 实际工作点往往不在退磁曲 线上，而是在回复线上。三参数法计算出的相对回复磁导率有一定偏差，故引入更精确的四参数 法（给定 Br、Hc、(BH)max 和μr） 。其基本方法如下： ⑴ 过（0, Br）作一直线，直线的斜率为 ? ? r ? ? 0 ，该直线在第二象限的线段称为理想回复 线。1 Br Br0 B (Tesla) (Ht, Bt) 0.5(BH)max0 -800 -Hc0 -Hc -400 H (kA/m ) 035⑵ 设一个虚拟的磁密 Br 0 = (B0 + B1 ) 2 ， 其中： B0 = max(? r ? ? 0 ? Hc, (BH ) max Hc )B1 = Br⑶ 用 Br0、Hc 和(BH)max 按三参数法作退磁曲线，使之与理想回复线相切，记切点为（Ht, Bt） 。 ⑷ 对退磁曲线上的任意磁密 B，由下式计算磁场强度 H:Br 0 ? B ? ?? Hc Bro ? a 0 ? B H =? ? H + (B ? B ) (? ? ? ) r r 0 ? t其中： a 0 = 2B ≤ Bt B ≥ Bt；Br 0 ? Hc B ? Hc ? r0 (BH ) max (BH ) max? Br 0 ? Bt = ? ? Br 0 ? ? r ? ? 0 ? Hc ? (1 ? a 0 )Br 0 a 0 ?()a0 = 0 a0 f 0；H t = ? HcBr 0 ? Br B r ? ? a 0 ? Bt⑸ 计算 Br 对应的 Hr 值H r = H t + (Br ? Bt ) (? r ? ? 0 )⑹ 如果Hr & 0，说明Br0的假设值太小，应增大区间的下限，令 B0 = Br0 ； 如果Hr & 0，说明Br0的假设值太大，应减小区间的上限，令 B1 = Br0 。 ⑺ 重复步骤⑵～⑸，直到 Hr 以满意的精度趋近于零为止。3.2.5保存数据点击 Save 命令框，保存已输入或修改的数据。点击 Exit 命令框，关闭 Magnet 窗口。363.3 电磁线规 3.3.1 建立标准电磁线规格文件RMxprt 在 ansoft/rmxprt5/matlib 文件夹中， 按美国和中国的裸铜线规格 （包括圆线和扁线） 标准建立了线规数据文件，分别为 American.wir 和 Chinese.wir。但是电磁线的绝缘层厚度还没 有相应的国家标准， 不同厂商生产的电磁线的绝缘厚度有所不同。 因而在数据文件 American.wir 中没有给出绝缘层厚度数据，在 Chinese.wir 中给出的绝缘层数据也仅供用户参考。 用户可按厂商提供的线规和绝缘层厚度数据建立自己的线规数据文件，RMxprt 为此提供方 便，请参见 3.3.3.1 新建标准电磁线规格文件。 在进行电机方案设计输入数据之前， 请按下述步骤选择线规数据文件， 以便于在线规输入的 下拉菜单中自动出现相应的线规数据。 a. 在 RMxprt 主窗口点击下拉菜单 Tools/Options，弹出 Options 窗口。b. 在 Wire Setting 的下拉菜单中，选择所需的线规数据文件。 c. 点击 OK 命令框，关闭 Options 窗口。373.3.2进入电磁线数据窗口在 RMxprt 主窗口点击下拉菜单 Materials/Wire， 弹出 Wire Data 窗口。 自动将在 Wire Setting 步骤中选定文件中的数据列于 Wire Data 窗口中。3.3.3 新建或打开标准电磁线规格文件 3.3.3.1 新建标准电磁线规格文件点击 New 命令框， 弹出 Warning 窗口，提示是否需要保存已打开的文件。如果已打开的文件被编辑修改需要保存，请点击 是(Y）命令框，否则点击 否(N) 命令框。 Warning 窗口关闭后，数据表格全部刷新为空白。38选择单位制，English Unit System 为英制，Metric Unit System 为公制。改变单位制时，弹 出 Note 窗口，告知改变单位制只能用于数据输入，不能用于两种单位制之间的转换。点击 确定 命令框，表格中线规的单位发生了改变。393.3.3.2打开已有的数据文件点击 Open 命令框，弹出 Open a Wire File 窗口。 （也可能先弹出 Warnig 窗口，提示先保存 已作修改的文件） 。选择所需的 .wir 文件，点击 打开(O) 命令框。3.3.4输入或编辑圆线数据对于新建数据文件，先在圆线规格数 Number of Round-Wire Data 栏中键入线规数量，然 后在 Round Wire Data 表格中输入线规数据。 Gauge No. Diameter Wrap 线规号 裸线直径 (mm) 绝缘涂层厚度 (mm)也可对已有数据文件进行编辑，修改规格数量和表格中的三列数据。3.3.5 输入或编辑扁线数据 3.3.5.1 对于新建数据文件，先分别在扁线规格数 Number of Rectangular-Wire Data 的 In ASide 和 In B Side 栏中键入窄边和宽边线规数量， 然后在 Rectangular Wire Data 表格中输入线规 数据。 A→ R→ B 窄边尺寸 (mm) 圆角半径 (mm) 宽边尺寸 (mm)3.3.5.2扁线宽窄比范围(B/A)max ------ 宽窄比最大值 (B/A)min ------ 宽窄比最小值在 Wire Shape Limit 右面的栏框中输入扁线宽窄比范围3.3.5.3查看电磁线截面积403.3.5.3.1合不考虑优先系数在 Type of Wire-Data Table 的右面选择 All Size，点击 Calculate 命令框，则所有宽窄比符 (B/A)min & B/A & (B/A)max 条件的线规截面积出现在扁线表中。3.3.5.3.2 考虑优先系数在 Type of Wire-Data Table 的右面选择 Skip One，点击 Calculate 命令框，则对所有宽窄 比符合 (B/A)min & B/A & (B/A)max 条件的线规截面积出现三种不同的情况： a. 奇数列与奇数行交汇点的截面积以黑色数字出现（推荐使用） ； b. 奇数列与偶数行或偶数列与奇数行交汇点的截面积以蓝色数字出现（较少使用） ； c. 偶数列与偶数行交汇点的截面积不出现（一般不使用） 。 这种方式便于用户按R20优先系数选用线规。3.3.6保存或更名保存数据使用 Save 或 Save as 命令，RMxprt 将线规数据以 .wir 格式保存在 ansoft/rmxprt5/matlib 文件夹中。 ⑴ 点击 Save 命令框，弹出 New Wire file 窗口，在 文件名(N) 栏中键入文件名，点击 保 存(S) 命令框，文件被保存，New Wire file 窗口关闭。若以 Open 方式打开文件进行修改编辑， 则点击 Save 命令框时，自动以原文件名保存数据文件。⑵ 若需对数据文件更名另存，点击 Save as 命令框，弹出 Save as 窗口。在 文件名(N) 栏 中键入新的文件名，点击 保存(S) 命令框，数据文件被保存，Save as 窗口关闭。414.4.1 基本术语 4.1.1 导体 Conductor安放在铁心槽中的绝缘电磁线称为导体。绕组4.1.2线圈 Coils两个槽中的导体经端部连接形成线圈。线圈一般是用绝缘电磁线在绕线模上连续绕制而成。 但大电流单匝线圈多用硬线棒敲型，形成半线圈。线圈的直线部分嵌放在铁心槽内，称为线圈的 有效边。4.1.3线圈节距 Coil Pitch线圈两有效边在电枢铁心上跨过的槽数称为线圈节距，以 y 表示。例如：第一槽线圈边跨过 8 槽，与第 9 槽线圈边连接，线圈节距为 y = 8。 整距线圈： 短距线圈： 长距线圈： 线圈节距 = 极距（以槽数表示） 线圈节距 & 极距 线圈节距 & 极距（一般用在变极多速电机中）以槽数表示的极距 = 总槽数/极数4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8每槽导体数 Conductors per Slot 并绕线数 Wires per Conductor 线圈组 Coil Sets 绕组 Wndings 每极每相槽数 q一个槽内的导体总数。对于双层绕组指上下层导体之和。 当用多根电磁线并联（形成一个导体）绕制成线圈，并联的电磁线根数称为并绕线数。 一个极下属于同一相的线圈串联成一组，称为线圈组（亦称极相组） 。 各相线圈（或线圈组）按一定规律连接起来，称为绕组。 每极每相槽数 q = 总槽数/（极数*相数）424.2多相交流绕组多相交流电机的电枢绕组常见的种类和型式：多相交流电枢绕组单层绕组单双层混合绕组双层绕组链 式 （ 全 极 或 半 极）叠 式 全 极 或 半 极 全 极 或 半 极同 心 式链 交 叉 式 全 极 或 半 极同 心 交 叉 式 （ 全 极 或 半 极 ）叠 绕 组同 心 式 绕 组波 绕 组分 数 槽 绕 组变 极 多 速 绕 组4.2.1 全极式 Whole-Coiled Windings每一相在每一极下都有绕组。全极式单层绕组全极式双层绕组4.2.2半极式 Half-Coiled Windings每一相只在一半极下有绕组半极式单层绕组半极式双层绕组434.2.3单层绕组一个槽中的全部导体与另一个槽中的全部导体串联形成一个线圈，称为单层绕组。与双层绕组比较，单层绕 组的特点为： ⑴ 线圈数量少一半 ⑵ ⑶ ⑷ 槽内无需层间绝缘，槽利用率高 线圈节距只能是整距 广泛应用于小容量电机中单层绕组按线圈端部的排列方式不同，可分为链式、叠式、同心式和交叉式。4.2.3.1a.链式单层链式绕组因其展开图如链相扣而得名。 半极式链绕组 一般情况下，单层半极式链绕组的每极每相槽数 q=1 例：三相 6 极 18 槽半极式链绕组（q=1, 120? 相带）44b.全极式链绕组 一般情况下，单层全极式链绕组的每极每相槽数 q=2。其线圈端部跨距比极距短一槽（仍然是整距线 圈） ，因而可节省铜线。 例：三相 4 极 24 槽全极式链绕组（q=2, 60? 相带）4.2.3.2a.叠式半极式叠绕组 一般情况下，单层半极式叠绕组的每极每相槽数为 q≥2 的整数。 例: 三相 4 极 24 槽半极式叠绕组（q=2, 120? 相带）单层叠式绕组因其端部形成交叠状而得名。45b.全极式叠绕组 一般情况下，全极式叠绕组的每极每相槽数为 q≥4 的偶数。 例：三相 4 极 48 槽全极式叠绕组（q=4, 60? 相带）464.2.3.3同心式绕组由中心线重合的大小线圈组合成“回”字形线圈组构成，故称“同心式”绕组，具有端部可分层排布， 方便嵌线的工艺特点，但端部漏磁较大。 a. 半极式同心绕组 一般情况下，单层半极式同心绕组的每极每相槽数为 q≥2 的整数。 例：三相 4 极 24 槽半极式同心绕组（q=2, 120? 相带）47b.全极式同心绕组 一般情况下，全极式叠绕组的每极每相槽数为 q≥4 的偶数。 例：三相 4 极 48 槽全极式同心绕组（q=4, 60? 相带）4.2.3.4a.交叉式半极式交叉绕组 一般情况下，半极式交叉绕组的每极每相槽数为 q = n + 1/2 （n = 1, 2, 3,…） 。这种绕组的端部排列 不均匀，较少采用。交叉式绕组的特点是相邻线圈组的线圈数不相等，可有叠绕组和同心绕组两种型式。48例 1：三相 8 极 36 槽半极式链交叉绕组（ q = 11 , 60? 相带） 2例 2：三相 8 极 36 槽半极式同心交叉绕组（ q = 11 , 60? 相带） 249b.全极式交叉绕组 一般情况下，单层全极式交叉绕组的每极每相槽数为 q≥3 的奇数。 例 1：三相 4 极 36 槽全极式链交叉绕组（q=3, 60? 相带）50例 2：三相 4 极 36 槽全极式同心交叉绕组（q=3, 60? 相带）4.2.4双层绕组每槽导体分为上、下两层，每个线圈的一条直线边嵌放于槽的上层，而另一条直线边嵌放于另一槽的下层。 与单层绕组比较，双层绕组的特点为： ⑴ 线圈数量多一倍 ⑵ ⑶ ⑷ 需要层间绝缘，槽利用率有所降低，且存在相间击穿的可能。 线圈节距可调，可采用适当的短矩系数削弱电势谐波，改善电磁性能 广泛用于容量在 10kW 以上的电机中单速电机双层绕组一般都采用全极式布线型式，倍极双速电机高速时为全极式双层绕组，低速时为半极式双 层绕组。 双层绕组按线圈型式不同可分为叠绕组、同心绕组和波绕组。514.2.4.1双层叠绕组例：三相 4 极 24 槽双层叠绕组（短距 y = 5）524.2.4.2双层同心绕组例：三相 4 极 24 槽双层同心绕组（短距 y = 5）4.3.4.3双层波绕组双层波绕组因其展开图形似波浪而得名。与叠绕组相比，波绕组的特点为： ⑴ 每相绕组先将不同极下线圈串联绕行一周，回到第一个线圈的左边，再继续绕行第二周，……直到连接 完该相的全部线圈 ⑵ 一般用于低压大电流电机的单匝成型硬绕组 ⑶ 极间连线较少534.2.5单双层混合绕组单双层混合由双层短距叠绕组演变而来。将双层短距绕组中，同槽内属于同一相的上下层线圈有效边合并成 一只单层大线圈，而同槽不同相的上下层线圈保持不变，则端部结构改变，形成单双层混合绕组。 例：三相 4 极 24 槽单双层混合绕组（等效短距 y = 5）544.2.6分数槽绕组c 。 d双层分数槽绕组的每极每相槽数为带分数 q = b例：三相 6 极 45 槽分数槽绕组（每极每相槽数 q = 21 1 , 短距 y = 7 , 极距 τ = 7 ） 2 2554.3单相电机绕组单相电机绕组由主绕组 A 和辅绕组 B 构成，两套绕组在空间布置上相互错开约 90? 电角度。有的具有分档调速功能的单相电机还有一套调速绕组 C。 单相电机按工作方式不同分为起动型（电容起动、电阻起动）和运行型（电容运转、双值电容）两类。两类 电机主、辅绕组所占的槽数可以有所不同，除双层同心式绕组（含正弦绕组和单双层混合绕组）外，一般情况下： 起动型： 主绕组每极槽数qa = 2×辅绕组每极槽数qb 运行型： 主绕组每极槽数qa = 辅绕组每极槽数qb 单相电机绕组的线圈结构和布置方式有下述常见型式单相电机绕组常见型式单层绕组双层绕组链 式叠 式同 心 式交 叉 式链 式抽 头 调 速 绕 组 正 弦 式叠 式同心式 含： 单双层 混合绕组564.3.1 4.3.1.1单相单层绕组 单层链式绕组例：24 槽 4 极单层链式绕组（起动型 qa = 4, qb = 2）例：24 槽 4 极单层链式绕组（运行型 qa = qb = 3）574.3.1.2单层叠式绕组例：24 槽 4 极单层叠式绕组（起动型 qa = 4, qb = 2） 此例中主绕组 A 为全极式布线，辅绕组 B 为半极式布线584.3.1.3单层同心式绕组例：24 槽 4 极单层同心式绕组（起动型 qa = 4, qb = 2）594.3.1.4单层交叉式绕组例：24 槽 4 极单层叠式交叉绕组（运行型 qa = qb = 3）60例：24 槽 4 极单层同心式交叉绕组（运行型 qa = qb = 3）614.3.2 4.3.2.1单相双层绕组 双层链式绕组例：6 极 12 槽双层链式绕组（运行型，qa = qb = 1）4.3.2.2双层叠式绕组例：4 极 24 槽双层叠式绕组（起动型，qa = 4, qb = 2）624.3.2.3双层同心式绕组单相双层同心式绕组有第Ⅰ类和第Ⅱ类之分；而每槽不一定都嵌入主、辅绕组，因而又有满圈和缺圈两种分 布；若将同槽内属于同一相的上下层线圈有效边合并成一只单层大线圈，又可形成 A、B 两种单双层混合绕组。 满圈分布：一相绕组每极线圈数等于每极槽数。 缺圈分布：一相绕组每极线圈数少于每极槽数，缺圈槽一般靠近线圈组的对称中心。 单相双层同心式绕组的主、 辅绕组一般不按 1:1 或 2:1 的比例分配槽数， 为区别不同的线圈安排和分布形式， 可采用下述表示方法： 3/2 ―Ⅰ/Ⅱ 线圈安排类型，分子代表主绕组（Ⅰ） ，分母代表辅绕组（Ⅱ） 线圈分布形式，分子代表主绕组每极线圈数是 3，分母代表辅绕组每极线圈数是 2a.第Ⅰ类同心线圈组的最大同心线圈节距等于极距，且该线圈所在槽分层置入不同组的两个线圈有效边。 例：4 极 24 槽双层同心式绕组 3/3DⅠ/Ⅰ布线（缺圈）63b.第Ⅱ类同心线圈组的最大同心线圈的节距小于极距一槽，故同相相邻两组线圈不重叠。 例：4 极 24 槽双层同心式绕组 3/3DⅡ/Ⅱ布线（满圈）64c.A 型单双层混合绕组由双层整距绕组演变而来，其大节距线圈为双层布线。 例：4 极 24 槽 A/A 型单双层同心绕组 2/2DⅠ/Ⅰ布线（缺圈）65d.B 型单双层混合绕组由双层短距绕组演变而来，其小节距线圈为双层布线。 例：4 极 24 槽 B/B 型单双层同心绕组 2/2DⅡ/Ⅱ布线（缺圈）66例：4 极 24 槽 B 型单双层混合绕组 4/3DⅡ/Ⅰ布线（缺圈）4.3.2.4双层正弦绕组单相双层正弦绕组是单相双层同心式绕组的一种特殊形式，其第Ⅰ、第Ⅱ类型和满圈、缺圈分布以及 A、B 型单双层形式与双层同心式绕组完全相同，唯一不同的是各槽中线圈的匝数按正弦规律分布。 单相双层正弦绕组各线圈匝数计算的基本方法如下： ⑴ 计算各同心线圈的节距系数y K y ( x ? x ') = sin(90° )τ对于第一类正弦绕组，其最大节距系数为K yτ =1 sin 90° = 0.5 2式中： K y ( x ? x ') ――同心线圈 y(x―x’)的节距系数； y――同心线圈(x―x’)的节距(槽数)； τ――极距（槽数） ⑵ 计算匝比系数 Kn 匝比系数是正弦绕组某线圈占每极匝数的比值，可由下式计算67Kn =sin( x ? x' ) ∑ sin( x ? x' )⑶计算线圈(x―x’)的匝数 主绕组 Wx―x’= Kn×Wa 辅绕组 Wx―x’= Kn×Wb 式中：Wa――主绕组每极匝数 Wb――辅绕组每极匝数4.3.3单相抽头调速绕组单相抽头调速电机除主绕组 A 和辅绕组 B 之外，增加一个调速绕组 C，使其变换串联于主绕组和辅绕组之 间，以改变绕组的阻抗值来达到调速效果。抽头调速可应用于各种型式的单相绕组，一般用于风扇类电容运转电 机。 抽头调速绕组按其与主、辅绕组的联接关系可以有 L-1、L-2、L-1/2、T-1、T-2、H 和“串并联”等多种接 线型式。 抽头调速绕组在定子上的分布、安排有多种形式。它可以占据单层绕组的整槽，也可占据双层绕组的半槽， 分别称为整槽圈和半槽圈。其布线形式可表示如下： H 型―4/0―0/2―2/2 代表调速绕组布线，分子为整槽圈数目，分母为半槽圈数目 代表辅绕组布线，分子为整槽圈数目，分母为半槽圈数目 代表主绕组布线，分子为整槽圈数目，分母为半槽圈数目 代表调速绕组的接线型式4.3.3.1L-1 型接法调速绕组 C 与主绕组 A 同相。V B C3 2 1A例：6 极 24 槽三速抽头绕组 L-1 型D0/6D6/0D0/6 布线68V23- -2B3-- 67-- 1011- -1 415- -1 819- -2 2UA C2 1 31-- 4 5-- 8 9-- 12 13- -1 61 7- -2 02 1- -2 41-- 45-- 89-- 1213- -1 617 -- 2021- -2 4694.3.3.2L-2 型接法调速绕组 C 与辅绕组 B 同相。V BCA U21例：6 极 12 槽双速抽头绕组 L-2 型D0/6D0/3D0/31 2B V2-- 44-- 66-- 88-- 1010- -1 212- -2CA U1-- 33-- 55-- 77-- 99-- 1111- -170例：6 极 24 槽双速抽头绕组 L-2 型D6/0D0/6D0/61 2 3C B V2 3- -2 2 3- -23 -- 6 3 -- 67- -1 0 7- -1 011 -- 14 11 -- 1415- -1 8 15- -1 819- -2 2 19- -2 2A U1-- 45 -- 89-- 1213- -1 617- -2 021- -2 4714.3.3.3L-1/2 型接法调速绕组 C 分为两部分，一部分与主绕组 A 同相，另一部分与辅绕组 B 同相。V BC2 C1 1 2 3 A U例：6 极 24 槽三速抽头绕组 L-1/2 型D0/6D0/6D0/12721C2 B23-- 63-- 67-- 107-- 1011 -- 1415- -1 81 9- -2 219 -- 2223- -223- -211- -1 4 1 5- -1 8VA C11 -- 41-- 4U5-- 85-- 89-- 129-- 1213 --1 613- -1 61 7- -2 017- -2 021 -- 2421 -- 243734.3.3.4T-1 型接法主相外抽头式，调速绕组 C 与主绕组 A 同相。V B C2 3 C1 A 2 1 U例：6 极 24 槽三速抽头绕组 T-1 型D0/6D6/0D0/6V23- -2B3-- 67-- 1011- -1 415- -1 819- -2 2UA C3 2 11-- 45-- 89-- 1213- -1 61 7- -2 02 1- -2 41-- 45-- 89-- 1213- -1 617 -- 2021- -2 4744.3.3.5T-2 型接法辅相外抽头式，调速绕组 C 与辅绕组 B 同相。V B 1 A 2 3 C1 C2 U例：6 极 24 槽三速抽头绕组 T-2 型D6/0D0/6D0/6 布线751 2 3C B2 3- -23 -- 67- -1 011 -- 1415 -- 1819 -- 222 3- -23 -- 67- -1 011 -- 1415 -- 1819 -- 22V A U1-- 4 5-- 8 9-- 12 13- -1 6 17- -2 0 21- -2 4764.3.3.6H 型接法调速绕组 C 与辅绕组 B 同相，主绕组分为两段，电容器接到主绕组的中间抽头上。这种接法可选用电容量 较大而耐压较低的电容器，起动力矩大，调速效果较好，辅绕组用铜量也略可减少。V B 1 2 3 C1 C2 A1 A2 U例：6 极 24 槽三速抽头绕组 H 型D6/0D0/3D3/3 布线1 2 3C B V2 3- -2 2 3- -23-- 67- -1 0 7- -1 011- 1415 -- 18 15 -- 1819- -2 2A U1-- 45-- 89-- 1213- -1 617- -2 021- -2 4774.3.3.7串并联接法调速绕组 C 与主绕组 A 同相，但调速绕组不在主、辅绕组中间，而是在主绕组的另一端。高速时，调速绕 组 C1 和 C2 串联后再与主绕组并联；中速时，C1 与主绕组串联，C2 不工作；低速时，C1 和 C2 同时与主绕组串 联。这种接法调速范围广，低速挡的起动力矩大，且具有充分利用导线的合理性，电能效率高。V B A C2 C1U N321例：6 极 24 槽三速抽头绕组“串并联”D0/6D0/6D6/0 布线78V1 2 3B23- -2 3-- 6 7-- 10 11- -1 4 15- -1 8 19- -2 2C A1 -- 4 1 -- 45 -- 8 5 -- 89 -- 12 9 -- 1213 -- 16 13 -- 1617 -- 20 17 -- 2021 -- 24 21 -- 24U N794.4 交流绕组的自动布线 4.4.1 矢量星形图槽中导体（或线圈）所产生的电势（或磁势）可以用单位矢量表示。当电机的极数为 P，槽数为 Z 时，两槽 之间的空间相位差为 α =P × 180° 电角度。将各槽电势（或磁势）矢量按其相位依次画出，形成矢量星形图。 Z例：P = 4 , Z = 24 绕组的矢量星形图24 12 23 1113 1 21431522 104 16219 8 7 19 6 1851720Z P ， P0 = ，则Z0和P0构成一 t t Z P c =b+ ； 对于分数槽电机 q = 个完整的矢量星形图， 成为一个单元电机。 对于整数槽电机 （q为整数） t = ， mP 2 d当Z和P有最大公约数t时，矢量星形图将重复t次，即绕组有t个周期。令 Z 0 = （m为相数） ，当t＞1 时，相邻矢量之间的相位差角 α =360° ，而相邻矢量的槽号之差为 Z0y0 =m(bd + c)G ? 1 d式中G为使y0等于整数的最小整数（y0应考虑到第二个磁极下线圈的反接） 。4.4.2 4.4.2.1相带 均匀相带整数槽绕组单元电机矢量星形图中，每相矢量在每个极下所占的区段称为相带，以电角度或槽数表示。 对于整数槽电机（q 为整数） ，半极式绕组的相带宽度为 360?/m（m 为相数） 。当 m 为可以被 360 整除的奇 数时（如：3、5、9…） ，可以连接成全极式绕组，此时的相带宽度为 180?/m。 例如：m = 3 时，半极式绕组的相带宽度为 360?/3 = 120?，其相序排列为 A B C；而全极式绕组的相带宽度为 180?/3 = 60?，其相序排列为 A -C B -A C -B（带负号的称为负相带） 。80例：三相半极式 120? 相带绕组矢量星形图24 12 2313 1 214A3 15C22 10114 162198 7 19 6 1851720B例：三相全极式 60? 相带绕组矢量星形图-B23 1124 1213 1A14 2315-C4 1622 10C219517208-A7 196 18B814.4.2.2速电机。 例：大小相带整数槽绕组将全极式绕组的正相带扩大几槽，而负相带缩小同样的槽数，则构成大小相带绕组。这种绕组多用于变极多-B24 12 23 1113 1 2A14 3 15C22 104 16-C219 8 7 19 6 1851720-A4.4.2.3 分数槽绕组相带分数槽绕组的每极每相槽数为带分数 q = bBc ，单元电机中各极的相带所占槽数不完全相同，并以 d 为循环 d基数，d 个极中，有 c 个极的相带槽数为 b+1（大相带） ，有 dCc 个极的相带槽数为 b（小相带） 。360° 1 , 三 相 分 数 槽 绕 组 ， t = 1, α = = 10° , 相 邻 矢 量 的 槽 号 之 差 为 5 Z m(bd + c)G ? 1 3(1 × 5 + 1) × 2 ? 1 y0 = = = 7 , 循环数为 d = 5, 大相带槽数为 b + 1 = 2, 小相带槽数为 b = 1, 循 d 5例 ： P = 10 , Z = 36 , q = 1 环规律为 21111，其相带分布为槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 排列 A A -C B -A C -B -B A -C B -A C C -B A -C B 槽号 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 排列 -A -A C A -C B B -A C -B A -C -C B -A C -B82-B29 36 7 14 212215813023A16 9 2 31 24 17 10 3C28 35 6 13 20 27 34 11 5 33 4 18 25-C32B-A4.4.3 常用交流多相绕组的线圈连接121926在 RMxprt 中对交流多相绕组分为六种类型，用两位数字表示：10 11 12 20 21 22。第一位数的 1 表 示单层绕组，2 表示双层绕组；第二位数的 1 表示全极式绕组，2 表示半极式绕组，0 表示由用户自己定义的任何 类型的绕组。对常用的链式、叠式、同心式和交叉式多相绕组 RMxprt 可以自动排布线圈。4.4.3.1单层半极式绕组的线圈排布单层半极式绕组的类型为 12当 q = 1 时，线圈排布为链式，q ≥ 2 时，线圈排布为叠式或同心式。83例：三相 6 极 18 槽半极式链绕组（q=1, 120? 相带）例 1: 三相 4 极 24 槽半极式叠绕组（q=2, 120? 相带）84例 2：三相 4 极 24 槽半极式同心绕组（q=2, 120? 相带）4.4.3.2单层全极式绕组的优化线圈排布单层全极式绕组的类型为 11当 q = 2 时，线圈排布为链式；q 为大于等于 3 的奇数时，线圈可以排布成交叉式；q 为大于等于 4 的偶数时，线 圈排布为叠式或同心式。单层链式线圈和交叉式的部分线圈端部跨距比极距短一槽，可以节省电磁线，RMxprt 具有优化线圈排布功能，尽可能排布成链式和交叉式线圈。85例 1：三相单层 4 极 24 槽全极式链绕组（q=2, 60? 相带）例 2：三相单层 4 极 36 槽全极式链交叉绕组（q=3, 60? 相带）86例 3：三相单层 4 极 36 槽全极式同心交叉绕组（q=3, 60? 相带）87例 4：三相单层 4 极 48 槽全极式叠绕组（q=4, 60? 相带）88例 5：三相单层 4 极 48 槽全极式同心绕组（q=4, 60? 相带）4.4.3.3双层全极式绕组的线圈排布双层全极式类型为 21 双层半极式类型为 22双层绕组的常用线圈型式为叠式和同心式。单速电机双层绕组一般都采用全极式布线型式，倍极双速电机高 速时为全极式双层绕组，低速时为半极式双层绕组。89例：三相 24 槽 2/4 极双速绕组布线线圈编号 1 2极 A 4极 A2 A A3 A A4 A A5 6 7 8 -C -C -C -C C C C C9 B B10 11 12 B B B B B B线圈编号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2极 -A -A -A -A C C C C -B -B -B -B 4极 A A A A C C C C B B B B全极式 2 极―2Y 布线半极式 4 极―△布线904A 4 B 4C 4A 13 14 15 16 2 3 4 4B 21 22 23 24 2B4.4.4 不对称多相绕组的线圈连接2 A 2B 2 C2A 2 B 2C 2A 120 19 18 17 8 74 A 4B 4 C 2C6 59 10 11 12 4C整数槽绕组（q 为整数）均为对称绕组。分数槽绕组（ q = bc ）当 d 为相数 m 的倍数时，成为不对称绕组。 d一般尽可能不采用不对称绕组，但有时为了利用现有的冲片，也可设计出不对称度很小的多相绕组。 当 d 为相数 m 的倍数，但总槽数 Z 可被 m 整除时，可构成不对称度很小的多相绕组。RMxprt 对这类绕组可 进行自动排布设计，并给出每相绕组的相带电角度。 例：66 槽三相 6 极绕组， q = 32 ，d = m = 3，为不对称绕组。经 RMxprt 自动排布设计后，在 Design Output 3设计输出中，对绕组的排布给出下列信息和数据： 线圈槽的相属分布： AAAAZZZZBBBXXXXCCCCYYYAAAZZZZBBBBXXXCCCCYYYYAAAAZZZBBBBXXXXCCCYYYY 每槽电角度 Angle per slot (elec. degrees): 16.3636 A 相轴线电角度 Phase-A axis (elec. degrees): 112.277 第一槽中心的电角度 First slot center (elec. degrees): 0 各相绕组系数 The winding factors of each phase are: A 相 Phase A B 相 Phase B C 相 Phase C 0...949042两相之间的相位差 The angles between two-phase winding axes are: A 相与 B 相 Phase A & B B 相与 C 相 Phase B & C C 相与 A 相 Phase C & A 119.082 120.459 120.45991如果与绕组匝链的是正弦旋转磁场， 则基波感应电势的正、 零序分量如下 If a sinusoidal rotating 负、 field links the winding,the fundamental induced-voltage components will be: 正序分量 Positive-sequence component 负序分量 Negative-sequence component 零序分量 Zero-sequence component 100% 0.286577%0.639823%4.5多相绕组编辑器对于具有交流多相绕组的电机，除常用的链式、叠式、同心式和交叉式单、双层绕组外，RMxprt 还提供一种非常灵活的绕组编辑器，使用户可以根据自己的需要，设计出各种特殊绕组。如单双层混合式绕组、大小相带 变极多速绕组、三相正弦绕组等。这种绕组编辑器适用于下述各种电机类型： Three-Phase Induction Motors 三相感应电机 Three-Phase Synchronous Motors 三相同步电机 Three-Phase Synchronous Generators 三相同步发电机 Permanent-Magnet Synchronous Generators 永磁同步发电机 Line-Start Permanent-Magnet Synchronous Motors 线性起动永磁同步电动机 Adjustable-Speed Permanent-Magnet Synchronous Motors 调速永磁同步电动机 Brushless Permanent-Magnet DC Motors 无刷永磁直流电动机 Claw-pole Alternators 爪极发电机924.5.1单层绕组编辑器在绕组类型中，10 表示由用户自己定义的单层绕组类型。在具有交流多相绕组的电机类型中，点击绕组类型（Winding Type）10，进入 Winding Editor 界面左半部分是单层绕组编辑器，右半部分为可视化图形。RMxprt 根据用户在 General、Stator 中输入的极数 Number of Poles、槽数 Number of Slots、每槽导体数 Conductors per Slot 等数据，自动排布绕组，并将相关信息显 示于绕组编辑器界面中。 在编辑器表格中，Coil 表示线圈编号，Phase 表示线圈所属的相，Turns 表示线圈匝数，In Slot 表示电流流入 线圈边（简称“入边” ）的槽号，Out Slot 表示电流流出线圈边（简称“出边” ）的槽号。 Periodic Multiplier 复选框表示可选择在多少个单元电机中编辑排布绕组。选中此复选框（打“√” ）时，右93边的下拉菜单显示可选的单元电机数。选择 1 表中列出全部槽数；选择 2 表中列出总槽数的一半；余类推。不选 中复选框（不打“√” ）则右边的下拉菜单变暗（屏蔽） ，表中列出全部槽数。 在 Constant Turns 复选框打“√” ，表中 Turns 列变暗（屏蔽）,表示线圈匝数保持不变；不打“√”则表中 Turns 列变亮，允许对匝数进行编辑修改。 通过改变每个线圈的相属 Phase、匝数 Turns、入边槽号 In Slot 和出边槽号 Out Slot，可排布出任意所需的单 层绕组分布形式。 点击 Default 命令框，则表中所有数据恢复到由 RMxprt 自动排布的状态。 点击 Reset 命令框，则表中所有数据恢复到打开 Winding Editor 界面时的数据状态。 在可视化图形中，显示了全部槽数和每槽的相属。用鼠标左键点击某一相的槽型，再点击鼠标右键，弹出选 择菜单。 编辑完成后，点击下拉菜单 File 中的 Save 命令，保存数据。如果同一种线圈边出现相同槽号，则弹出错误 Error 信息提示框，修正错误后重新保存数据。点击下拉菜单 File 中的 Exit 命令，关闭绕组编辑器 Winding Editor 界面，回到 RMxprt 主界面的 Stator 定子 数据输入状态，再点击绕组类型 Winding Type 中的 10，重新打开绕组编辑器 Winding Editor，观察绕组端部排列 的图形显示。先用左键点击槽型，再点击右键，在槽型处弹出显示命令框94各命令的含义如下： Connect all coils 显示所有线圈连接 Connect one-phase coils 显示一相线圈连接 Connect one coil 显示一个线圈 Disconnect all coils 取消显示所有线圈 Disconnect one-phase coils 取消显示一相线圈 Disconnect one coil 取消显示一个线圈 Display coil information 显示线圈的相关数据 用左键点击命令，观察绕组端部排列的图形，示例如下： Connect one coil 显示一个线圈95Connect one-phase coils 显示一相线圈Connect all coils 显示所有线圈（各相线圈用不同颜色区分）96Display coil information显示线圈的相关数据下面以三相 4 极 36 槽单层正弦绕组为例，说明单层绕组编辑器的用法。 三相正弦绕组是一种 Y―△混合绕组，是一般 60? 相带绕组的改型，把普通绕组（每极每相 q）分为两部分。 当 q 为偶数时，使 q ? = qY =q ?1 q +1 1 q ；当 q 为奇数时，采用 q ? = 和 qY = 两部分，此时应满足△部分绕 2 2 2组每槽导体数等于 Y 部分绕组每槽导体数的 3 倍，且△部分绕组和 Y 部分绕组的槽利用率相同（采用不同的线 径） 。正弦绕组不仅可减小电机的相带谐波，改善气隙磁势的正弦性畸变，使之接近正弦分布，而且提高了绕组 的基波分布系数，可使 2、4 极电动机的效率提高 1%左右，所以广泛用于小型三相异步电机中。Z 36 = =3 m × P 3× 4 q +1 3 +1 = = 2 ，每槽导体数为 24 q? = 2 2 q ?1 3 ?1 qY = = = 1 ，每槽导体数为 14 2 2 q=按两对极下△△Y、△YY、△YY 和△△Y 的排列规则，确定△和 Y 线圈在槽中排列如下表。槽号 排列 匝数 槽号 排列 匝数 槽号 排列 匝数 槽号 排列 匝数1 -A△ 24 10 A△ 24 19 -A△ 24 28 A△ 242 -A△ 24 11 AY 14 20 -AY 14 29 A△ 243 -AY 14 12 AY 14 21 -AY4 C△ 24 13 -C△ 24 22 C△5 C△ 24 14 -CY 14 23 CY6 CY 14 15 -CY 147 -B△ 24 6 B△ 248 -B△ 24 17 BY 149 -BY 14 18 BY 1414 24 14 30 31 32 AY -C△ -C△ 14 24 2424 25 26 27 -B△ -BY -BY CY 14 24 14 14 33 34 35 36 -CY B△ B△ BY 14 24 24 1497接线图如下：Ay11 -3 12 -2 0 30 -2 1 -A y -C △ A△ -1 3 -2 -3 1 5 10 -1 9 28 -3 2 22 -1 29 4 C△ -C y 35 34 16 -1 4 -B △ -7 -25 -8 -15 6 -3 3 23 Cy 24用绕组编辑器作出的绕组排布如下：-A△B△ -By 36 18 17 -2 7 -2 6 -9 By984.5.2双层绕组编辑器在绕组类型中，20 表示由用户自己定义的双层绕组类型。双层绕组编辑器的使用方法与单层绕组编辑器相同，界面形式也基本相同，无需赘述，仅将不同之处说明如 下。⑴ 入边 In Slot 规定为上层边 T，出边 Out Slot 规定为下层边 B; ⑵ 双层绕组的线圈节距可灵活选择，Constant Pitch 复选框变亮。 选中此复选框（打“√” ）时，出边 Out Slot 列变暗（屏蔽） ，表示线圈节距为常数（即在 Stator 中输入的 Coil Pitch 数据） 。改变入边 In Slot 时，出边 Out Slot 的数据将自动改变。 不选中此复选框（不打“√”，则出边 Out Slot 列变亮，允许任意改变每个线圈的节距。 ） ⑶ 可视图形中每槽上下层的相属分别标出。99通过改变每个线圈的相属 Phase、匝数 Turns、入边槽号 In Slot 和出边槽号 Out Slot，可排布出任意所需的双 层绕组分布形式。 例：36 槽 6/8 极 2Y/△双速单绕组槽号 1 2 A 6极 A 8极3 -C -C45 B B6 -A -A78 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 -B -C B C -A -B C A B C -B C A -B -C -A槽号 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 -A C A B C -B 6极 -B -C A B -C -A A -C -A B C -B 8极 B C A -B -C -A节距 Y = 5，绕组系数 Kw6 = 0.85, Kw8 = 0.82 用绕组编辑器排布 6 极绕组，可选单元电机数为 2，匝数不变，节距不变。按上述绕组表设置各线圈的相属。用绕组编辑器排布 8 极绕组，应选单元电机数为 1，匝数不变，节距不变，只需改变线圈的相属即可。1004.6 直流绕组 4.6.1 迭绕组 Lap Windingsy1Ny y21 2S3yk线圈节距y1 =Z m ε = 整数 pZ 为槽数，p 为极数换向器节距 并联路数yk = ma =m? pm 为复倍系数1014.6.2波绕组 Wave Windingsy y1 y2N15 1S8NS15 1yk线圈节 距y1 =Z m ε = 整数 p换向器节距并联路数K m1 = 整数 p 2 a=m yk =K 为换向器片数1024.6.3蛙绕组 Frog-lag Windings极距y 1ay 1bN y kaAS y kbBN线圈节距y1a + y1b =2K = 整数 p 2K = 整数 pp 为极数，K 为换向器片数换向器节距y ka + y kb = a= p= m 2并联路数m 为复倍系数4.6.4虚槽 Virtual Slots直流绕组一般为双层绕组。许多情况下，为了简化结构，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 Z = 的倍数。S?，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 2μ4.6.54.6.5.1均压线 Equipotential Connectors 单迭绕组的甲种均压线将电枢绕组中本应电位相等的点用短铜线连接起来，称为均压连接。 由于磁路不对称（如气隙偏心） 将在迭绕组中将引起环流，既增加损耗，又影响换向。在单迭绕组的换向 ， 器上连接甲种均压线可以解决这类问题。单迭绕组均压线的节距yp等于每一对极内的换向器片数。yp =K K = = 整数 p a103yp为整数称为对称绕组。只有对称绕组才能连接甲种均压线。4.6.5.2 4.6.5.3单波绕组不需均压线 复波绕组的乙种均压线K = 整数 。 a单波绕组中没有等电位点，不能连接均压线，也不需要连接均压线。 在复波绕组中可以找到两套单波绕组之间的等电位点，用均压线连接，以消除由于电刷电阻不等而在换向片 上产生的电位分布不均匀。这种均压线称为乙种均压线。均压线的节距为 y p =4.6.5.4复迭绕组的均压线复迭绕组中的每一个单迭绕组应该用甲种均压线。双闭路的两套迭绕组之间应该用乙种均压线。因为在换向 器端找不到两套绕组之间的等电位点，但可以在电枢的两端找到两套绕组之间的等电位点，如图中 A 点和 B 点， 可用导线穿过电枢内部把这两等电位点 A、B 连起来。A1 2NS1234B4.6.5.5 蛙绕组不需均压线对于蛙绕组， 换向器上的任何两个均压点都有一个迭元件和一个波元件组成的均压线，对迭绕组来说起甲 种均压线作用，对波绕组来说起乙种均压线作用。而这些又是利用绕组本身的元件所组成，所以不再需要另装均 压线。4.7磁极绕组下述两类电机的磁极绕组具有类似的结构： 直流电机 三相同步电机 DC Machines Three-Phase Synchronous Motors & GeneratorsRMxprt 对这两类电机的磁极绕组采用统一的绕组设计方式，分为三种结构：104圆线磁极绕组矩形线立绕磁极绕组矩形线平绕磁极绕组1054.7.1确定。磁极绕组空间优化磁极绕组的布置空间由绕组高度 （Overall Height） 绕组宽度(Overall Width) 和绕组间距 (Winding Clearance) 、Winding Clearance Overall HeightOverall Width转子 磁极绕组106Overall HeightWindign ClearanceOverall Width定子磁极绕组 给定绕组间距尺寸 (Winding Clearance) ，当绕组高度 (Overall Height) 或绕组宽度 (Overall Width) 尺寸设 置为 0 时，RMxprt 可进行空间优化自动设计，在保证绕组间距的前提下，使磁极绕组得到最大的布置空间。1074.7.2圆线磁极绕组圆线磁极绕组的排列如下图所示。RMxprt 可计算输出最大层数（Maximum number of layers） 、最小层数 （Minimum number of layers） 、每层最大匝数（Maximum number of turns per layer） 、每层最小匝数（Minimum number of turns per layer） 、每极最大匝数（Maximum number of turns per pole ）等数据。 当输入给定的绕组宽度、 绕组高度、 绕组间距所限定的绕组空间不足以排布出输入要求的每极匝数时， Design Output 中将给出相应的信息： “The rotor winding control dimension is not big enough.”最少层数 最大层数 极靴绝缘极身绝缘每层最少匝数 每层最大匝数1084.7.3矩形线立绕磁极绕组Output 中，给出每一段的层数和匝数，每极的总匝数。RMxprt 对矩形线立绕磁极绕组的排布方式如下图所示，注意每层之间是交错搭迭的。匝数相同的层数构成 “段” 。在设计输出 Design 当输入给定的绕组宽度、 绕组高度、 绕组间距所限定的绕组空间不足以排布出输入要求的每极匝数时， Design Output 中将给出相应的信息： “The rotor winding control dimension is not big enough.”段号 Section 极靴绝缘 1 2 3 4 5极身绝缘1094.7.4矩形线平绕磁极绕组矩形线平绕磁极绕组的排布如下图所示。为保证两磁极绕组间的距离，对磁极绕组的下部倒角。倒角处的线 规厚度增加，以尽可能地保持截面积不变。线规相同的各匝构成“段” （最多可有三段） 。设计输出 Design Output 中，给出各段的匝数和线规尺寸。 当输入给定的绕组宽度、 绕组高度、 绕组间距所限定的绕组空间不足以排布出输入要求的每极匝数时， Design Output 中将给出相应的信息： “The rotor winding control dimension is not big enough.”极靴绝缘极身绝缘1 段 号 2 3 Section1105 优化设计优化设计由参数分析（Parametric Analysis）和目标优化（Optimization）两部分构成。这两部分可单独使用， 也可以配合使用，以达到更好的优化效果。此外，目标优化模块具有良好的通用性，还可用于与所选电机类型无 关的其他优化设计。5.1 参数分析在完成设计方案输入，运行设计分析（Analytical Design） ，得到设计输出（Design Output）后，还希望了解 当某些设计输入变量（Input Variables）在一定范围变化时，设计者感兴趣的某些输出参数(Output Parameters) 会 如何变化，从而寻找较佳参数。RMxprt 的参数分析功能为您提供方便。5.1.1 定义输入变量⑴ 在 RMxprt 主窗口中，点击下拉菜单 Setup/Input Variables 命令，弹出 Input Variables 窗口。⑵ 点击等于号（=）右边的下拉菜单，列出所设计电机类型可供选择的输入变量关键字（Key Word） 。例如，对 于无刷直流电机有下述输入变量关键字可供选择： 额定功率 电压 转速 触发超前角 触发脉宽 工作温度 定子槽数 定子外径 rated_power voltage speed trigger_angle trigger_width op_tamperature stator_slot out_diameter111定子内径 定子齿宽 每槽导体数 线规号 导线直径 最小气隙 转子内经 极弧偏心距 极弧系数 磁钢厚度 磁钢宽度 取 Mag_thi Gapinner_diameter tooth_width slot_conductors wire wire_diamrter min_air_gap rotor_inner_dia pole_arc_offset pole_embrace magnet_thick magnet_width = magnet_thick = min_air_gap定子铁心长度 stator_length转子铁心长度 rotor_length⑶ 可选择多项输入变量。每选择一项输入变量，在等于号（=）的左边为输入变量取名。例如： Mag_wid = magnet_width112⑷ 点击 Add 命令框，所选变量出现在列表中。 （每选一个输入变量，点击一次 Add 命令框）⑸ 使用 Delete 命令，可删除所选的变量。例如，在列表中用鼠标点击选中 Mag_wid，点击 Delete 命令框，即可 将其删除。113⑹ 使用 Updata 命令，可编辑修改所选的输入变量。例如，将“气隙”改为“最小气隙” 。在列表中用鼠标点击 选中 Gap，在等于号的左边将“Gap”改为“Gap_min” 。点击 Updata 命令框，列表中的 Gap 被改为 Gap_min。⑺ 点击 Done 命令框，弹出提示信息： “关闭 Input Variables 窗口之前，是否将已作的修改保存到名为 ws-1 的文 件中（Save changes to ws-1 before closing）” 。点击“是(Y)” ，关闭 Input Variables 窗口，完成输入变量定义；若 点击“否(N)” ，则关闭窗口，但不保存已作的修改；若点击“取消” ，则取消“Done”操作，回到原状态，继续 进行输入变量选择或修改。1145.1.2 定义输出参数⑴ 在 RMxprt 主窗口中点击下拉菜单 Setup/Output Parameters 命令，弹出 Output Parameters 窗口。⑵ 点击等于号（=）右边的下拉菜单，列出所设计电机类型可供选择的输出参数关键字（Key Word） 。例如，对 于无刷直流电机有下述输出参数关键字可供选择： 定子绕组系数 Stator Winding Factor d-轴电枢反应电感 D-Axis Reactive Inductance Lad q-轴电枢反应电感 Q-Axis Reactive Inductance Laq d-轴电感 q-轴电感 电枢漏电感 零序电感 电枢相电阻 空载转速 D-Axis Inductance L1 + Lad Q-Axis Inductance L1 + Laq Armature Leakage Inductance L1 Zero-Sequence Inductance No Load Speed L0 Armature Phase Resistance R1输入电流的平均值 Average Input Current 电枢电流的均方根值 Root-Mean-Square Armature Current 电枢热负荷 电枢线负荷 电枢电流密度 铁心损耗 电枢铜耗 摩擦和风阻损耗 总损耗 效率 输出功率 Armature Thermal Load Specific Electric Loading Armature Current Density Iron-Core Loss Armature Copper Loss Friction and Wind Loss Total Loss Efficiency Output Power115额定转速 额定力矩 堵转力矩 堵转电流 取 V0 Vn P_fe Eff I_rated T_lockRated Speed Rated Torque Locked-Rotor Torque Locked-Rotor Current = No Load Speed = Rated Speed = Iron-Core Loss = Total Loss = Rated Torque = Locked-Rotor Current⑶ 可选择多项输出参数。每选择一项输出参数，在等于号（=）的左边为输出参数取名。例如：⑷ 点击 Add 命令框，所选输出参数出现在列表中。 （每选择一个输出参数，点击一次 Add 命令框） 。⑸ 使用 Delete 命令，可删除所选的输出参数。例如，在列表中用鼠标点击选中 P_fe，点击 Delete 命令框，即可 将其删除。116⑹ 使用 Updata 命令，可编辑修改所选的输出参数。例如修改“T_lock=Locked-Rotor Current”中的错误。在列 表 中 用 鼠 标 点 击 选 中 T_lock=Locked-Rotor Current ， 在 等 于 号 的 右 边 将 “ Locked-Rotor Currnt ” 改 为 “ Locked-Rotor Torque ” 点 击 Updata 命 令 框 ， 列 表 中 的 T_lock=Locked-Rotor Current 被 改 为 。 T_lock=Locked-Rotor Torque。⑺ 点击 Done 命令框，弹出提示信息： “关闭 Output Variables 窗口之前，是否将已作的修改保存到名为 ws-1 的 文件中（Save changes to ws-1 before closing）” 。点击“是(Y)” ，关闭 Output Variables 窗口，完成输出参数定 义；若点击“否(N)” ，则关闭窗口，但不保存已作的修改；若点击“取消” ，则取消“Done”操作，回到原状 态，继续进行输出参数选择或修改。1175.1.3 输入变量与输出参数的关系设定设计者选定感兴趣的输入变量和输出参数后，还需要给出输入变量的变化范围，建立输入变量与输出参数之 间的关系。 ⑴ 在 RMxprt 主窗口中，点击 Setup/Parametrics 命令框，弹出 Parametric Setup 窗口，所选的输入变量名和输出 参数名出现在 ws-1 列表的表头。⑵ 点击下拉菜单 Data/Sweep 命令，弹出 Sweep Setup 窗口。所选择的输入变量名出现在列表中。118⑶ 分别点击选中输入变量名，在列表下面的栏框中分别输入变量的起始范围（起点：t_start，终点：t_end）和样 本数（#samples） 。例如： 取 Gap_min t_start : 0.45 t_end : 0.55 #samples : 3 Mag_thick t_start : 3 t_end : 4 #samples : 11 每改变一个输入变量的起始范围，点击一次 Accept 命令框，列表中出现所选的变量范围和样本数。在点击 Accept 之前可先点击 Preview 命令框，弹出 Sweep Preview 小窗口，检查所选样本数是否合意。点击 OK， 关闭 Sweep Preview 窗口。119⑷ 如果在这次建立输入变量和输出参数关系之前，已有类似的关系表格存在，那么，是否保留原来的表格关系， Append to table 选择框给您留下选择余地。 a. b. 选择 Append to table，则新建立的关系附加到原来的表格关系中； 不选择 Append to table，则完全建立新的关系表格，原来的关系表格被删除。⑸ 点击 OK 命令框，关闭 Sweep Setup 窗口，回到 Parametric Setup 窗口，在 ws-1 的列表中列出了输入变量在给 定变化范围内的每一个样本点。⑹ 若在点击 OK 之前，点击 Cancel 命令框，则取消前述的关系设定操作，关闭 Sweep Setup 窗口。 ⑺ 点击 Help 命令框，可得到帮助信息。 ⑻ 点击下拉菜单 File/Exit 命令，弹出提示信息： “关闭 Parametric Setup 窗口之前，是否将已作的修改保存到名 为 ws-1 的文件中（Save changes to ws-1 before closing）” 。点击“Yes” ，关闭 Parametric Setup 窗口，保存新 建立的关系表格；若点击“No” ，则关闭窗口，但不保存新建立的关系表格；若点击“Cancel” ，则取消“Exit” 操作，回到原状态，继续进行变量与参数设定。1205.1.4 运行参数分析在 RMxprt 主窗口中， 点击下拉菜 Run/Parametric Analysis， 弹出 Parametric Table 窗口， 动态显示运算过程。运算结束，弹出提示窗口。点击确定命令框，关闭提示窗口。5.1.5 查看参数分析表在 RMxprt 主窗口中， 点击下拉菜单 Post Process/Parametric Table 命令， 弹出 Parametric Table 窗口。 ws-1 在 文件名下的表格中，移动下方和右方的滑块，查看参数分析运算的结果。1215.2 目标优化RMxprt 为电机设计者提供按某一目标进行优化设计的功能。本节以在 Ansoft/example/rmxprt5/syng3 路径下 的三相同步发电机 bjs10-61 项目为例，对极靴形状进行优化设计，以达到磁场谐波畸变最小的目标，说明如何使 用 RMxprt 的目标优化功能。5.2.1 定义输入变量和输出参数按 5.1.1 和 5.1.2 节的方法，定义输入变量和输出参数。 选磁极偏心距和极靴宽度为输入变量： offset = pole_arc_offset pole_wid = pole_shoe_width选磁场总谐波含量 THD 为输出参数。为了观察以 THD 为目标进行优化时对效率的影响，可将效率也设为输 出参数。 THD = Air-Gap Flux Total Harmonic Distortion EFF = Efficiency1225.2.2 优化目标和条件设定在 RMxprt 主窗口中，点击下拉菜单 Setup/Optimization 命令，弹出 RMoptimz Setup 窗口。1235.2.2.1 选择优化算法在左上角的下拉菜单中选择优化算法。RMxprt 提供两种优化算法：准牛顿法和单纯形搜索法，可根据需要 选用一种。 准牛顿法（Quasi Newton Optimizer） ： 通过对用户定义的目标函数的斜率近似值进行分析，搜索目标函数的最小极值。只有当目标函数计算过程中 产生的误差噪音干扰很小时，斜率近似值才有足够的计算精度。因此，准牛顿法一般用于对数值误差噪音很小的 目标函数进行优化求解。 单纯形搜索法（Pattern Search Optimizer） ： 利用单纯形的顶点优化求解。二维中的单纯形为三角形，三维中的单纯形为四面体。如果在单纯形的某一面 上未能得到更优的结果，则在其镜像面上继续搜索。如果仍无改善，则细分网格，继续搜索。单纯形法对误差噪 音不敏感。5.2.2.2 确定变量的变化范围和变化步长 5.2.2.2.1 添加变量a. 点击 Design Variables 右边的 Add…命令框，弹出 Add Variable 窗口。点击 Select Variable 右边的下拉菜单， 选定输入变量磁极偏心距 offset， 分别在变化范围和步长栏中输入最小值和最大值：点击 OK 命令框，磁极偏心距 offset 的变化范围和步长出现在变量表中。 b. 重复上述步骤，确定极靴宽度 pole_wid 的变化范围和步长。124注：变量变化范围的最小值应小于 Design Output 中的相应数值。 例如， bjs10-61 设计方案中， 在 Polar ArcOffset = 43 mm , Pole-shoe Width = 280 mm 。1255.2.2.2.2 修改变量的变化范围和步长在变量表中点击选中需要修改的变量，点击 Design Variables 右边的 Edit…命令框，弹出 Edit Variable 窗口， 可对变量的变化范围和步长进行修改。5.2.2.2.3 删除变量在变量表中点击选中需要修改的变量，点击 Design Variables 右边的 Remove…命令框，弹出提示窗口。 “删 除变量将同时删除所有与此变量相关的约束条件，是否继续？”点击 是(Y) ，变量被删除；点击 否(N) 则取消删除操作。5.2.2.3 建立变量之间的约束条件目标优化可以根据需要对输入变量之间加上线性约束条件，以缩小寻优空间，加快运算速度。本例 bjs10-61 的优化项目中不需要约束条件，但为说明这项功能可对输入变量增加约束条件。5.2.2.3.1 增加约束条件点击 Constraints 右边的 Add…命令框，弹出 Add Constraints 窗口，所选的变量自动列于表框中。在变量左边 的栏框中输入适当的线性系数（可含负号） ，在表格右边的下拉框中选择关系运算符“&”或“&” ，再在其右边的 的栏框中输入约束值。126点击 OK 命令框，关闭 Add Constraints 窗口，所输入的约束条件出现在约束条件表中。1275.2.2.3.2 修改约束条件点击选中需要修改的约束条件，再点击 Constraints 右边的 Edit…命令框，弹出 Edit Constraints 窗口，可修改 线性系数、关系运算符和约束值。点击 OK 命令框，关闭 Edit Constraints 窗口。5.2.2.3.3 删除约束条件点击选中需要删除的约束条件，再点击 Constraints 右边的 Remove 命令框，弹出提示窗口， “确定要删除所 选的约束条件吗？” ，点击 OK 命令框，关闭提示窗，所选的约束条件被删除。5.2.2.4 建立优化目标函数 5.2.2.4.1 编辑目标函数点击 RMoptimz Setup 窗口右下角的 Edit Functions 命令框， 弹出 Expression Evaluator 窗口。 已定义的输入变 量 offset、pole_wid 和输