安萬強

安世亞太仿真業務部高級應用工程師

在電機行業發展新形式下，如何快速設計一款符合要求的電機成為各個電機廠不斷追求的目標，也是各個廠家自身競爭力強弱的體現。正因如此，越來越多的電機設計軟件應運而生，不斷開發更新，每款軟件都是促進電機設計不斷進步的有力工具。本篇文章基于Motor-CAD去計算分析電機設計的各個物理場的計算，使得讀者有一個概略認識。

本次計算以一臺永磁電機為對象進行設計計算。電機為8極48槽，“V”字型轉子槽的永磁電機，電機軸向長度150mm，為了減小渦流損耗，磁鋼軸向分為18段。

• 幾何建模

圖1是電機定子沖片數據，圖2是轉子和磁鋼的數據，圖3是整個徑向面數據。圖4是電機軸向方向的數據，包括定轉子鐵心長度以及磁鋼軸向分段數。

圖1

圖2

圖3

圖4

• 繞組數據

繞組的設置如圖5所示。三相單層繞組，匝數為6，節距為5，并聯路數為2。圖5展示了每相繞組在槽內的分布和各個線圈的連接。圖6是繞組排布后氣隙磁勢的諧波次數和幅值。圖7是每個諧波的繞組系數。

圖5

  

圖6                                  圖7

繞組排布設置后需要設置線規，具體線規的設置如圖8所示。

圖8

• 材料設置

基于Motor-CAD的計算流程，則該對電機的各個部分設置材料屬性。圖9是材料列表，磁鋼采用的30UH牌號。

圖9

電磁計算

電磁計算是整個電機性能計算的核心和基礎，本次計算電機的轉速為3000Rpm，線電流的幅值為480安培，母線電壓為400V，電流超前度設置為45度。電機為正弦供電形式，繞組采用星接。彩鋼采用平行充磁，假設工況平穩運行下，繞組的溫度是65度，磁鋼也是65度。

求解參數如圖11所示，可以求解空載情況下的運行數據，也可以求解負載情況下的相關參數，這里求解的是反電勢和齒槽轉矩以及負載運行下的轉矩。

圖10

圖11

經過計算得到電磁結果，Motor-CAD的電磁結果比較全面，涵蓋了整個電機設計關心的數據類型。圖12是一個極下的磁密分布云圖。圖13、圖14、圖15是電機運行下的整體性能數據。包括電壓、電流、損耗、轉矩、輸入功率、輸出功率、效率、功率因數等。圖16-18則是電機性能參數曲線的展示。

圖12

圖13

圖14

可以發現電機在此工況下，輸出轉矩為286N*m，輸入功率為90kW，輸出功率85kW，總的損耗為5kW，效率為94.5%。

圖15

圖16

圖17

圖18

熱計算

電磁計算的損耗數據是熱計算的輸入源，因此基于電磁計算的結果對電機的散熱進行分析。

熱計算建模在電磁基礎上添加了機座、冷卻道等結構。圖19是熱計算徑向數據設置，而后進行軸向數據的設置，以此建立冷卻水道，具體設置如圖20。

圖19

圖20

電機散熱計算中，繞組的浸漆程度和一些工藝因素對散熱的影響較大，因此有必要著重關注這些方面。本例中的浸漆設置、絕緣設置、繞組在槽內的分布情況如圖21所示。

圖21

由于該電機選擇的是水冷，因此需要選中“Housing Water Jacket”，另外還需要設置電機所處的環境溫度。而后設置入口水的流量，這里需要提醒一下，一般都是習慣用每分鐘多少升作為計量單位，因此需要提前設置為“l/min”，同時設置恒定流量為6.5L/min，如圖22。

圖22

圖23

設定流量之后，需要指定流體的材質類型和屬性，圖24是展示了本次計算的冷卻介質的屬性設置。圖25設置了電機實體部分的材料熱屬性設置。剩下的采取默認設置即可。

圖24

圖25

計算的熱源可以是輸入的損耗，也可以是電磁計算損耗直接導出在熱計算模塊，這里采用電磁計算的損耗作為計算的熱源。圖26展示了計算穩態時溫度分布情況，并且損耗來自電磁計算結果。

Motor-CAD熱計算依據熱網絡法，這樣可以快速計算出電機的溫度分布，用時比有限元要少很多，精度也可以保證工程要求。

圖26

點擊求解，計算結果如圖27-30所示。

圖27

圖28

圖29

圖30

結論

Motor-CAD基于自己的優勢，采用快速有限元法和熱網絡法，在短時間內可以計算出電機的設計性能，大大縮短了電機概念設計的周期，提高了電機研發的速度，有助于電機設計水平的提升。