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沈陽安世亞太公司

本文以永磁電機(jī)為例，簡單介紹了Maxwell如何快速計算電機(jī)仿真中比較關(guān)心的問題和參數(shù)。Maxwell自帶的一些功能插件大大減少了用戶處理數(shù)據(jù)的難度和時間，方便了用戶的使用，減小了產(chǎn)品研發(fā)的周期，使得電機(jī)設(shè)計的效率在一定程度上得到提升。

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，永磁電機(jī)的設(shè)計要求也在不斷的提高。 

對設(shè)計需求有以下幾個方面：

• 在電磁，電氣，熱和機(jī)械極限運行條件下進(jìn)行設(shè)計，滿足變化的性能需求；

• 電機(jī)通常在較寬的轉(zhuǎn)矩-速度范圍內(nèi)運行；

• 日益激烈的競爭需要更短的開發(fā)周期；

• 實現(xiàn)高度優(yōu)化的設(shè)計方案；

• 效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、噪聲低、成本低。

對設(shè)計工具的要求：

• 兼顧磁路法的理論深度和有限元法的高精度，提供專業(yè)的前、后處理功能；

• 電磁和熱的耦合分析必須快速高效以滿足產(chǎn)品研發(fā)周期的需求；

• 電機(jī)機(jī)械強度的分析需要在電磁設(shè)計階段同時進(jìn)行，以減少設(shè)計迭代；

• 集成控制算法，在全運行范圍內(nèi)實現(xiàn)電磁-熱-機(jī)械快速耦合計算。

本文以一臺永磁電機(jī)為例，重點描述永磁電機(jī)設(shè)計中比較關(guān)注的技術(shù)問題和解決方案。用簡單明了的語言和精簡關(guān)鍵的圖片展示關(guān)注問題解決步驟和結(jié)果。

• 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時永磁體和定子鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩會使電機(jī)產(chǎn)生振動和噪聲，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，使電機(jī)不能平穩(wěn)運行，影響電機(jī)的性能。在變速驅(qū)動中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機(jī)械共振頻率一致時，齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機(jī)在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。所以做永磁電機(jī)研發(fā)的工程師希望把自己做的電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降到最小，使用永磁電機(jī)的工程師則希望了解手上這臺電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，從而去優(yōu)化他的控制算法。

有限元法計算齒槽轉(zhuǎn)矩時，氣隙的網(wǎng)格質(zhì)量對齒槽轉(zhuǎn)矩的計算影響很大，為了得到較為準(zhǔn)確的齒槽轉(zhuǎn)矩數(shù)值，可以對氣隙做多層剖分，如下圖所示，該電機(jī)為8極48槽，轉(zhuǎn)子是V&“一”槽形。為了節(jié)省計算時間，加快求解速度，以一個極進(jìn)行計算。在計算齒槽轉(zhuǎn)矩時，可以在氣隙部分添加為3層，分別命名為為band_inner,band,band_outer。

 

圖1

同時設(shè)置band的旋轉(zhuǎn)速度為1deg_sec，由于計算一個齒距下的齒槽轉(zhuǎn)矩的變化，故設(shè)置的求解時間為7.5s。具體如下：

圖2

計算完成后電機(jī)不斜極的齒槽轉(zhuǎn)矩如下圖3所示：在一個齒距的范圍內(nèi)為為一個周期變化。實際設(shè)計中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是斜極兩段，斜極的度數(shù)為3.75。實際上整體的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩如圖4所示。從圖3和圖4可以看采取斜極的措施后，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩也確實降低了，有利于電機(jī)運行的平穩(wěn)。

 

圖3

圖4

• 磁鋼的渦流損耗

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子里嵌著磁鋼，由于穿過磁鋼的磁鏈在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生變化，自然會在磁鋼內(nèi)部產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流損耗，為了減小磁鋼的渦流損耗，通常在軸向和徑向方向?qū)⒋配撨M(jìn)行分段處理。為了精確計算分段后的磁鋼損耗，Maxwell提供了兩種不同的計算方法來求解渦流損耗。

圖5

1)     添加0電流法

選中四個磁鋼面，添加0電流激勵。如圖6分別輸入電流的名稱，數(shù)值的大小以及導(dǎo)體的類型。

圖6

分別給4個磁鋼都施加0電流激勵，則最后如圖7所示。

圖7

點擊求解計算后，可以看到磁鋼的損耗為5.69W。

圖8

2)     直接選擇計算

如圖9所示，在“Excitations”下選擇“Set EddyEffects”在彈出框中選擇要計算的四塊磁鋼。

圖9

求解完畢后，磁鋼的渦流損耗如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)直接選擇計算磁鋼的渦流損耗與加載0電流情況下磁鋼的損耗數(shù)值很相近。所以二者取其一即可。

圖10

3)   dq坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)結(jié)果

針對永磁電機(jī)的調(diào)速控制，通常喜歡將電機(jī)的所有數(shù)據(jù)變換成dq軸坐標(biāo)系下的對應(yīng)數(shù)據(jù)，建立一個同步旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系。電機(jī)所有交流變量都可以在這個坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化為直流量并投影于d、q兩個軸上。對兩個軸上的分量的分別控制，就控制了這個變量，實現(xiàn)了這個變量的解耦控制。

Maxwell根據(jù)用戶的關(guān)心問題，開發(fā)了可以直接生成dq軸下的數(shù)據(jù)報告。方便電機(jī)設(shè)計人員的數(shù)據(jù)后處理，大大減小了電機(jī)設(shè)計的周期，提高了電機(jī)設(shè)計的效率。

當(dāng)電機(jī)模型仿真計算完成后，直接右擊“Results”后，在彈出的“Create Transient Report”中選擇“Rectangular plot”，如圖11所示。而后在彈出的圖12中，“Domain”選擇“TransientD-Q”。

圖11

圖12

點擊“Machine Options”,在彈出的圖框（圖13）中按照電機(jī)的極數(shù)和對齊電角度以及繞組方向進(jìn)行設(shè)置。最后在圖12的“Quantity”下選擇下求解的數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的結(jié)果。

圖13

圖14

圖15

圖16

4)   電機(jī)的工況性能數(shù)據(jù)

當(dāng)電機(jī)仿真完成后需要對電機(jī)的整體性能有個詳細(xì)的判斷。基于這些需求，Maxwell開發(fā)了相應(yīng)的快捷計算功能插件。如圖11，直接右擊“Results”后，在彈出的“Create Transient Report”中選擇“Rectangular plot”。而后在彈出的圖框（圖17）中，“Domain”選擇“Averageand RMS”。而后點擊“Machine Options”。在彈出的圖框（圖18）中填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖17

圖18

由于重點關(guān)注的是電機(jī)的整體性能表現(xiàn)，這里以電機(jī)的輸入輸出功率、效率以及功率因數(shù)為例，如圖19，選中要求解的數(shù)據(jù)，點擊求解，求解后的結(jié)果如圖20所示。

圖19

圖20

圖20中展示了電機(jī)的輸入功率為101.5kW，輸出功率為90.8kW，功率因數(shù)為0.817，效率是95.3%。