走近Infolytica之永磁同步電機轉矩脈動的產生機理分析上篇【轉發(fā)】

2018-04-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

?1前言

在很多的應用場合,永磁同步電機(PMSM)都被要求輸出波形盡可能平滑的電磁轉矩,理論上講這需要有完全正弦的定子繞組激勵電流波形和正弦的反電勢波形。但實際上,但實際上由于電機本體和變頻器等控制器件這兩個方面決定了轉矩脈動是幾乎不可能被消除,而只能削弱的。其中關于電機本體方面,定子繞組在空間上的分布形式和永磁體的裝配方式及其自身形狀特點等因素導致反電勢波形不可避免的受到影響,從而增大電機輸出轉矩脈動的幅值。而電機定子電流的波形則受到控制器中逆變器原件性能的影響,不能得到理想的波形,這種控制器偏差導致的電流和反電勢的非正弦畸變也會產生脈動轉矩。

本文主要就電機本體所帶來的轉矩脈動進行分析,對逆變器等電源器件所產生的轉矩脈動,以及降低逆變器引起的轉矩脈動所需要的控制策略等內容放在后續(xù)的文章中進行分析。

一般來講,在電機本體方面,會產生轉矩脈動的設計參數(shù)主要有:

1. 齒槽效應和轉子永磁體結構形式等因素引起的齒槽轉矩;

2. 繞組分布不滿足正弦規(guī)律等引起的諧波轉矩;

3. 磁路飽和系數(shù)的選取;

4. 不夠合理的控制策略;

上述各個影響因素中:電機繞組分布不滿足正弦規(guī)律的影響因素可以通過增加定子齒槽數(shù)以及采用分數(shù)槽繞組等手段彌補,但從電機定子的齒槽數(shù)和繞組布局往往不會因為單一設計目標而改變;而磁路飽和系數(shù)的選取則同樣需要根據(jù)提高電機效率還是降低轉矩脈動的設計目標之間進行權衡;至于控制方面,不管采用哪種控制策略,但控制目標不是減小轉矩脈動時,都可能在滿足其他控制目標的同時加重了轉矩脈動。

齒槽效應引起的齒槽轉矩一般是首先受到關注的,降低齒槽轉矩的方法目前也已經(jīng)比較明確,常用方法是采用定子斜槽或者轉子斜極,斜槽或斜極的角度是主要參數(shù)(通常斜槽或者斜極一個定子槽節(jié)距),同時也會考慮定子槽型、槽口寬度、齒的形狀參數(shù)等。定子齒槽幾何尺寸參數(shù)的取值往往需要借助經(jīng)驗以及優(yōu)化算法進行選擇確定,Infolytica軟件中MagNet軟件+OptiNet軟件是最適用的組合。本文主要對轉子斜極對齒槽轉矩的影響及其仿真分析方法進行討論,在電機仿真模型中,斜槽或斜極通常只能通過3D模型來模擬,但是3D模型對于建模與仿真計算都有較高的要求,2D模型就成為很多電機仿真的首選。這里重點講解如何應用MotorSolve軟件和MagNet軟件進行相應的仿真分析,分別對2D模型下電機的齒槽轉矩和斜槽效應的仿真方法進行講解。

本文以某型70kW的PMSM驅動電機為例,分別采用MotorSolve軟件和MagNet軟件對其齒槽轉矩進行分析。

?2應用MotorSolve軟件進行齒槽轉矩的設計仿真

在MotorSolve軟件中進行齒槽轉矩的仿真分析是非常便捷的。

圖1 MotorSolve中的模型示意

在MotorSolve軟件中可以利用腳本程序,對諸如轉子斜極等設置參數(shù)值的取值區(qū)間,然后自動生成多個不同的電機設計原型。

圖2具有不同轉子斜極角度的設計原型

每個電機設計原型的斜極角度不同,這里設置成0-1,間隔0.2,其含義是設置定子槽節(jié)距數(shù)為0,0.2……1,根據(jù)定子槽節(jié)距分別對應0,0.15……7.5度。斜極7.5度時的轉子如下圖所。

圖3斜極7.5度時的轉子

要得到齒槽轉矩,需要在MotorSolve軟件的結果(Results)中選擇電機結果>性能圖表>齒槽轉矩,為了獲得更為精確的求解結果,可在精度和準確度一欄中輸入較大的數(shù)字,如下圖所示,輸入齒槽轉矩曲線的數(shù)據(jù)點個數(shù)為48,求解速度/精度權衡值為8(該值的可選范圍為1-10的整數(shù),值越大,精度越高,速度越慢)。

圖4齒槽轉矩求解的設置

除了上述設置以外,輸入欄中還可以自定義哪些設計原型的結果被放在結果曲線中,如下圖所示,默認的是最初構建的設計原型,這里可以手動點擊全部原型以便得到全部不同轉子斜極角度的齒槽轉矩波形。

圖5選擇所有的設計原型

圖6全部不同轉子斜極角度的齒槽轉矩波形

?3在MagNet軟件中實現(xiàn)相應的齒槽轉矩計算

MotorSolve軟件中建立的模型可以一鍵導出為MagNet軟件可以識別的模型文件,然后在MagNet軟件中進行純粹的有限元計算。

圖7 MotorSolve導出選定的設計原型到MagNet軟件

用MagNet軟件打開剛剛導出的模型文件,可以查看更多模型的細節(jié),并根據(jù)需要進行修改,缺省條件下導出得到的模型可以在MagNet軟件中直接采用2D瞬態(tài)運動求解器進行求解。需要注意的是對于齒槽轉矩的求解,在導出模型前需要在MotorSolve軟件中執(zhí)行一次齒槽轉矩的求解,然后在結果欄(Results)中執(zhí)行導出操作,此時導出的模型文件包含了全部MotorSolve軟件中當前進行齒槽轉矩計算所采用的參數(shù)設置,在MagNet軟件中可以直接求解并得到不同斜極角度下的齒槽轉矩波形。如果從設計(Design)中導出模型文件,則只包含模型的基本信息,不包含求解齒槽轉矩所涉及的參數(shù)取值,同時每次只能導出當前已經(jīng)選擇的設計原型,因此要得到不同斜極角度下的齒槽轉矩波形,還需要在MagNet軟件中進行參數(shù)化設置,也需要相應的做轉速等多個方面的參數(shù)設置。

圖8 MagNet軟件中打開的模型(設計原型之一)

圖9自動生成的不同轉子斜極角度的工況

求解結果得到的零時刻磁密云圖如下圖所示:

圖10 2D求解得到的磁密云圖

在MagNet軟件中,前面從MotorSolve導出的模型既可以采用2D求解,也可以當作3D模型來求解,如果采用2D求解,則斜極角度的值會被忽略,軟件只對當前構造面(缺省條件下為XY平面)內的2D模型截面進行求解,參見下圖左下角的圖例所標識出來的齒槽轉矩求解結果,可知對于2D求解,不論設置的斜極角度為多少,都對計算結果沒有影響,即不能考慮斜槽或者斜極的影響。如要采用2D模型對上述斜極問題或者斜槽問題進行求解,需將電機沿軸向分成多個分段,每個分段仍舊按照無斜槽無斜極來進行2D求解,但多個分段之間齒槽或磁極的位置不同,不同分段的繞組電流等采用串聯(lián)方式進行拼接,這是2D求解等效斜槽或斜極的常用做法,具體操作方法可關注后續(xù)的文章進行了解。

圖11 MagNet軟件中直接2D求解得到的齒槽轉矩

如果采用3D模型求解,理論上講能夠很好的解決斜槽和斜極問題,這里簡單講解采用3D模型求解所可能面臨的設置問題,多數(shù)情況下不需要任何額外的設置,但是對于本文中的案例,由于每槽繞組存在上下兩層導線,導線之間沒有氣隙的情況,還是需要做一些設置,這里主要是對導線之間截面設置理想絕緣邊界條件。因為2D模型中不同區(qū)域的導體之間默認具有絕緣的邊界線,而3D模型由于需要考慮更為復雜的情形,不同導體之間如果有接觸,則默認并不相互絕緣,而是可以設置絕緣邊界條件或者表面阻抗邊界條件等。

圖12設置理想電絕緣邊界條件的菜單

根據(jù)在Object中上下位置的差別,選擇所有的內層導體的外部表面設置絕緣邊界條件,以便在軟件根據(jù)Object中上下位置的差別確定布爾操作優(yōu)先級并進行網(wǎng)格剖分時讓此邊界條件生效。

圖13設置理想電絕緣邊界條件的表面

在設置了上述邊界條件,還需要設置內部孔洞部分表面上的法向磁通邊界條件,替代的方法是將此區(qū)域填充成空氣,則不需要另外定義邊界條件。

圖14內部孔洞表面設置的磁通法向邊界條件

盡管3D求解能夠避免2D等效斜槽或斜極的操作,但求解時間卻遠遠大于2D模型,在很多場合下導致工程上不可取。

轉自:《西莫電機技術》第13期之名家講壇

相關標簽搜索：走近Infolytica之永磁同步電機轉矩脈動的產生機理分析上篇【轉發(fā)】 Maxwell電磁仿真培訓 Maxwell培訓課程 Maxwell培訓班 Maxwell在線視頻 Maxwell教程 Maxwell軟件教程 Maxwell資料下載 電機設計仿真 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓