ansoft中表面式（面贴式）永磁电机id=0控制及增去磁状态的实现方法

forlink

zengxiaodong 发表于 2015-1-2 14:09
我是按照楼主的图形输入计算的，电流最大值27安培，有效值19.0919安培，我看楼主的图也是25牛米。

楼主给出的是4极24槽电机，但其他设计数据是没有提供的。
电机学徒工给出的电机设计数据虽然也是4极24槽的，但是目前看来和楼主提供的电机并不是一个，因为转矩等数据对不上。

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 14:24
楼主给出的是4极24槽电机，但其他设计数据是没有提供的。
电机学徒工给出的电机设计数据虽然也是4极24槽 ...

重新计算的齿槽转矩和额定转矩如下：

Imax=0

Imax=27


补充内容 (2015-1-11 11:04):
这个齿槽转矩波形比Ansoft的要漂亮多了！

zengxiaodong

根据Forlink队长的要求，减小电流进行计算：

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 14:24
楼主给出的是4极24槽电机，但其他设计数据是没有提供的。
电机学徒工给出的电机设计数据虽然也是4极24槽 ...

这个马达合理的额定转矩应该在10牛米以下，但是通过计算发现马达的转矩脉动有点大！

扩展到整个电机的负载磁力线分布


负载状态下径向磁密分布

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 11:17
曾老师，你用ansys仿真的空载反电势波形也是明显有坑的，和电机学徒工用ansoft仿真的波形差不多。
不知 ...

关于电势中齿谐波的形成原因，记得好几年前与“电机学徒工”有过一次辩论，当时并未取得一致意见！这个问题在李发海《电机学》第二版中有详细的论述，但是这本书在网上没有搜到。

确实，仿真出来的电势波形可能存在齿谐波，或者换句话说，如果电机有齿谐波电势，通过有限元一定能够仿真出来。
本例一阶齿谐波为11、13次，而转子磁密也确实可能会含有11、13次谐波，只是该气隙磁密谐波含量究竟有多少，要通过FFT才能得出。

本例可以采取2个办法来检验，一是把槽口减小到闭口槽，看看电势波形的变化，二是搞成分数槽将转子搞成10极，再仿真反电势波形，通过这两个工作，基本上就能够确认Ansoft得到的反电势波形是否正常了！

气隙磁密（扩展到一对极）


气隙磁密FFT结果，含有11次谐波，不含有13次谐波




微分得到的电压波形FFT


微分得到的电压波形滤去11次谐波（用带阻滤波）

zengxiaodong

从上述分析过程可以得到如下结论：

1、气隙磁密中含有11次谐波，不含有13次谐波；

2、第11次谐波确实通过齿磁导有了一点放大，但是不明显；

3、如果将微分得到的电压完全滤去11次谐波，得到的波形仍然不光滑；

4、第11次谐波主要影响的是电压波形波峰处的平滑度；

综上，我认为波形的不平滑并非由齿谐波造成。

forlink

zengxiaodong 发表于 2015-1-2 20:05
从上述分析过程可以得到如下结论：

1、气隙磁密中含有11次谐波，不含有13次谐波；

       在定子铁芯均开槽的情况下，开槽结果使气隙磁导变得不均匀。对应于齿的位置的气隙较小，磁导大；对应于槽的位置气隙较大，磁导小。这将导致气隙磁场的分布发生改变。因此开槽以后在原先不开槽的气隙磁导波上要叠加一个与定子齿数相对应的附加周期性磁导分量。对于表面式永磁同步电机，若转子磁极的宽度等于定子齿距的整数倍，且主极磁场在定子开槽前为正弦分布，则在定子开槽以后，主极磁场虽然发生畸变，使槽部磁场减弱，但由于定子齿、槽不动，空间周期性的附加磁导不随时间而变化，故定子绕组的感应电动势将仍为正弦形而没有其它谐波。但是若主极磁场中原先已经有齿谐波磁场，则在定子开槽以后，由于周期性空间附加磁导的“调制”和“放大”作用，在整数槽绕组和气隙较小的情况下，定子绕组中的齿谐波电动势可能比不开槽时增大很多倍，从而使发电机的电动势波出现明显的齿谐波波段。
      因此齿谐波的根源并不在定子齿槽，而在于当忽略定子开槽时，转子磁场本身的非正弦性。再说白点，即使这台电机采用无槽绕组，一样存在齿谐波电动势。

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 20:42
在定子铁芯均开槽的情况下，开槽结果使气隙磁导变得不均匀。对应于齿的位置的气隙较小，磁导大； ...

非常同意您前面的一段话，我也一直是这样的观点：齿谐波电势的根源在于转子励磁磁场分布（内因），而定子开槽导致的磁导谐波只是起调制和放大作用（外因）。

但是，对于无槽绕组我有不同看法，首先，调制和放大作用没有了，其次，线圈的空间分布会起很大作用，也就是所谓的“槽口系数”会显现出来，该系数对于高次谐波有很大的影响。

forlink

zengxiaodong 发表于 2015-1-2 20:54
非常同意您前面的一段话，我也一直是这样的观点：齿谐波电势的根源在于转子励磁磁场分布（内因），而定子 ...

因此，要削弱齿谐波，光采用定子闭口槽，分数槽作用可能不是太明显，要从产生齿谐波的源头来解决问题。
我建议下面的优化思路是，把定子齿槽去掉，使其光滑，单独对转子磁钢形状进行优化，当优化结果达到气隙磁场波形为接近正弦形时，再按照实际电机定子开槽，仿真反电动势波形，看看这时反电动势波形上还有没有“坑”。
这个工作，当然也需要曾老师用ansys来协助验证。

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 21:02
因此，要削弱齿谐波，光采用定子闭口槽，分数槽作用可能不是太明显，要从产生齿谐波的源头来解决问题。
...

“坑”还是会有的，当然会小很多。

其实我的意思是在数值计算中，微分运算是不大可靠的，因为它对于函数的连续性太敏感了，对于实际的物理过程进行简化，都是离散化的过程，例如电机反电势的仿真就是如此，转子是连续转动的，但是仿真是对于有限个点进行计算，这样的话，当把步长不断变小时，将会使得微分误差以更高的速度变小......

forlink

那曾老师的意思是，当仿真步长缩短到足够小说，反电动势波形就能反映实际情况？

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 22:12
那曾老师的意思是，当仿真步长缩短到足够小说，反电动势波形就能反映实际情况？

是的，当然还有有限元网格的密度。

因为Ansys计算不直接给出反电势波形，因此多数时候我仿真也不太注意反电势波形，现在我重新检查了一些以前仿真的结果，有5台不同的电机，微分后的波形有的还算光滑（但平顶），有的也很不理想（很多坑），但是这些电机我都实测过波形，线电势波形是很好的（只有一台引出了中性线，故只有这台测量了相电势，相电势含有丰富的3次谐波）。

今天先把这台有实测结果（且有中性线引出）的磁链波形和微分波形提供如下（实测波形改日提供）：

磁链

磁链微分

zengxiaodong

电机学徒工 发表于 2014-12-31 21:34
我找到了楼主电机模型，重新仿真了一下，下面分别是空载情况下的相绕组反电动势和磁链波形

学徒工请您把步长减小几倍重新仿真，看看反电势波形的结果如何变化。


我的波形在波峰处有2个凹陷3个凸起，而正峰值到负峰值有3级台阶，这些与您的结果明显不同！

zengxiaodong

接72楼，今天提供实测波形，大家不要惊讶，这确是实测波形，千真万确（电机极数32，转速167转每分）

相电压



线电压


相电压FFT


线电压FFT

zengxiaodong

电机学徒工 发表于 2014-12-31 22:33
这样，曾老师来用ansys仿真此电机的空载相反电动势波形如何？电机全部设计参数我来提供！如下：

转 ...

按照Forlink队长的建议，调整额定相电流峰值到9A，对于0.1%%电流（空载），100%电流，200%电流三种工况仿真。

这台电机的空载反电势基波如下：

100%电流三相自感

100%电流三相互感

100%电流电压及功率因数计算（实际功率因数还要考虑电阻压降，因此会更高一些）


电感计算：

Ld=Lq=134.44*sin20/2/pi/50/9=16.26mH

此电感数值纯粹根据相量图得到，因此最接近实测数值！该数值与自感平均值乘以1.5倍的数值10.75*1.5=16.125mH非常接近。

zengxiaodong

电机学徒工 发表于 2014-12-31 22:33
这样，曾老师来用ansys仿真此电机的空载相反电动势波形如何？电机全部设计参数我来提供！如下：

转 ...

在200%电流时，结果如下：

自感

互感

电压及功率因数


电感计算：
Ld=Lq=146.04*sin36/2/pi/50/18=15.18mH

zengxiaodong

上述计算结果表明：

1、随着负载加大，功率因数迅速降低，电压也随之抬升；

2、随着负载加大，磁路饱和程度增加，因此电感减小，且大负载时凸极效应更明显。

下面看看转矩饱和情况（过载能力）

100%电流，转矩平均值10.884牛米



200%电流，转矩平均值20.363牛米

也就是说，电流增加到2倍，转矩增加到1.87倍（大于1.8倍，此数据应协商），这个饱和程度还是可以的。

上述计算，误差应该在1%以内，为了供大家自行分析，提供结果的数据文件见附件
结果数据.rar (89.86 KB, 下载次数: 41)

2015-1-5 11:37 上传

点击文件名下载附件

数据格式：
角度，A相自感，B相自感，C相自感，AB互感，AC互感，BC互感，A相磁链，B相磁链，C相磁链，转矩，A相电流，B相电流，C相电流

200%电流时磁密分布情况，齿部和轭部都超过2T，且磁钢本身受到严重的半边增磁半边去磁作用。

254339861

我做无槽电机的，下面是我仿真反电势的结构，由于我这款电机高速电机，磁钢无法偏心导致转子磁场非正旋。由于无槽开槽引起的齿谐波是没有的，但是由于磁场不是非正旋导致电势谐波碰到定子内圆磁阻变化突变成“齿谐波”，所以5次谐波比较明显。

土豆烧洋芋

zengxiaodong 发表于 2015-1-4 21:28
接72楼，今天提供实测波形，大家不要惊讶，这确是实测波形，千真万确（电机极数32，转速167转每分）

相 ...

{:soso_e103:} 我和小伙伴们都惊呆了  怎么做的这么流畅光滑呐

zengxiaodong

forlink 发表于 2015-1-2 21:02
因此，要削弱齿谐波，光采用定子闭口槽，分数槽作用可能不是太明显，要从产生齿谐波的源头来解决问题。
...

这台电机要进行优化设计，看来主要也就是磁极形状的优化了！

1、气隙磁密的波形不是太理想，可以尽量按照磁满率达到“理想极限磁满率”这个方向进行优化；

2、磁化方向的问题，对于外转子电机和内转子电机而言，其最佳的磁化方向是不同的；

3、内转子电机不宜使用径向磁化，而宜于使用平行磁化的方式；

4、外转子电机不宜使用平行磁化的方式，而最好采用径向磁化的方式；

5、符合3、4两条的话，气隙磁密将会有“聚磁”效应，能够最大程度利用上永磁材料的磁能，类似于Halbach阵列。


注：上述磁满率的概念及其详细分析请参阅https://bbs.simol.cn/thread-11345-10-1.html，从180楼开始仔细阅读，并请与“槽满率”帖子https://bbs.simol.cn/thread-53500-1-1.html，https://bbs.simol.cn/thread-53665-1-2.html进行对照阅读。