Ansoft EM专题讨论（三）——异步启动永磁同步电机设计

wayne · 发表于 2009-1-11 12:56

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最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了，这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中，我们的超版和技术精英们都做了很多工作，本着向大家学习的原则，我也来凑个热闹

本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真，下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对，希望大家多多批评指正！这也是和大家学习的过程，望各位不吝赐教

其实，这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流，向大家学习了!

下面先给出电机结构示意图
电机模型.jpg

电机为典型的4极36槽结构，绕组为单层交叉，Y接形式，内置径向W型永磁体，采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出

区别于前面两位版主的纯V11仿真，该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言，V5.0的界面更加人性化和易于上手，推荐新同学使用。

下面先占楼，以便详细给出设计分析过程和全部源文件，网速可能会比较慢，时间可能会比较仓促，谢谢理解，我会尽快补全

wayne · 发表于 2009-1-11 12:57

运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计，输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置
基本参数

定子内外径和槽形尺寸

定子冲片和绕组部分

转子内外径和磁钢设计

转子槽形和端环设计

wayne · 发表于 2009-1-11 12:57

以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题

就材料设置而言，大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料，主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线，用记事本的格式进行编辑添加，放在指定的文件夹中，即可在设计中引用，图例DW315-50的.h-b文件，要对应操作窗口的各项参数进行添加，方可正确使用
.h-b文件.jpg

添加后磁化曲线示意

添加后的损耗曲线示意

关于磁钢的材料设置，可以在软件的Magnet选项中任意添加所需材料的参数，如下图所示

注意，这里我给出的是电机在75℃的工作温度下，磁钢的性能参数

下面给出绕组连接方法。本算例定子采用单层交叉绕组，因为现有给定无法满足所需条件，采用了软件自带的绕组编辑器，连接方式如下图所示：
绕组编辑器.jpg

在编辑器的列表中，可以任意改变绕组相序，匝数，线圈的两边所在槽号，从而得到所需要的任意形式的绕组排布

wayne · 发表于 2009-1-11 12:57

Ansoft RMxprt V5.0的设计结果输出

除了可以导入到Maxwell里进行电机的有限元分析，经过RMxprt V5.0的设计计算后，我们还得得到以下的结果

1.冲片效果图
冲片.jpg

2.绕组排布

3.电磁计算单

其中用来进行有限元瞬态分析的主要是以下数据
有限元分析数据.jpg

4.性能曲线
Power Factor VS Torque Angle
Power Factor VS Torque Angle.jpg

Input Line Current VS Torque Angle

Efficiency VS Torque Angle
Efficiency VS Torque Angle.jpg

Air Gap Power VS Torque Angle
Air Gap Power VS Torque Angle.jpg

Starting Torque VS Speed
Starting Torque VS Speed.jpg

One Conductor Induce Voltage at No Load

Air-Gap Flux Density at No Load

Induce Winding Voltages at No Load

wayne · 发表于 2009-1-11 12:57

关于异步启动永磁同步电机的有限元分析，和三相异步电机有很多相似之处，我这里我重点讲不同，和需要注意的地方，有些问题在其他类电机分析中同样涉及。欢迎大家拍砖！

首先说下电机静磁场分析的前处理工作，静磁场分析主要是为了求解电机在某一运行工况时刻的状态和参数。通常我们比较关心的是额定工况运行时对电机的分析。下面给出的算例为定子通入额定电流，转子无电流流通的静磁场分析：

下图为对RMxprt模型导入Maxwell 2D进行静磁场分析后的界面，
静磁示意.jpg

前处理工作中有几个需要注意的地方，这里提一下：

1.Define Model
RMxprt导入的模型可能存在分段过少的现象，对于定子轭磁密以及齿槽转矩的计算有直接的影响。如要提高计算精度，我们可以通过下图所示方法进行修正
修正边界.jpg

分别选中定子外径和Band，对圆弧细化到1分度，下图为修正Band分度到1度
Band修正.jpg

2.Setup Materials
添加材料的方法大家看其他专题都有讲过，这里我重点提一个问题就是永磁体的设置问题：
很多人对磁钢的充磁方向总是容易混淆，拿我这个例子来说
磁钢充磁.jpg

（1）Align with object's orientation——充磁方向为默认的黑色箭头方向
（2）Align with a given direction——与系统X轴正半轴的夹角方向充磁
（3）Align relative to object's orientation——相对默认的黑色箭头的夹角方向充磁
本例中默认的方向（黑色）与系统X轴同向，所以，用（2）、（3）两种方法充磁输入的角度是完全相同的。充磁后，点击View Angle，可以看到充磁后实际的磁钢磁力线走向（红色）

3.Setup Boundaries/Sources
小型电机的计算量不大，为了减少麻烦，可以对电机取全模型分析，这样边界条件只需要加一个零磁矢位，加在电机的定子外径，如图所示
边界条件.jpg

对RMxprt进行全模型导入Maxwell 2D可以进行如下设置（单元电机分析和主从边界的添加可以详见上一专题

）

另一个问题就是加入定子电流源（是针对后续电感计算求解需要的）：
A相流入电流（PhA）输入值为25.66A，则A相流出（PhReA）电流为-25.66A；B相和C相与A相分别相差120°和240°，则PhB=-12.83A，PhReB=12.83A；PhC=-12.83A，PhReC=12.83A；分别将Define Model中分组后的三相绕组选中，施加电流激励，图示为A相流入电流源的施加
电流源的施加.jpg

其他线圈依次设置，就不每个给出截图了

wayne · 发表于 2009-1-11 12:57

在电机的静磁场分析中，除了要通过计算得到电机的磁密、场图分布之外，我们可能还对某些参数感兴趣，最基本的包括电机的受力、转矩、电感参数（详细讨论见专题一）等等。在运算之前，我们通常要进行如下的预设置：
当你想要求物体的受力和扭矩时，你必须选择一些物体是旋转或者移动的。在我们这个例子里，我们将选择转子、轴和永磁体。首先点击 Setup Executive Parameters/Force，选择旋转的物体和点击Include Selected Objects。Torque的设置同理。分别如下图所示
Force的设置
Force求解设置.jpg

Torque的设置

当我们要计算一个物体的电感时，必须在边界条件时让它是电流源；在本例中，包括 PhA，PhB，PhC，PhReA，PhReB，PhReC线圈。Maxwell计算的电感系数是整个A相(PhA 和PhReA)，你必须选择PhA和指定PhReA是它回来的路径。Maxwell知道把两项团体组成完整的A相。点击Setup Executive Parameters/Matrix-Flux 选择PhA和指定回来的路径是PhReA。反复B和C相。如下图所示
电感矩阵求解设置.jpg

经过以上设置后可以开始计算了
参数计算设置.jpg

计算收敛后结束

计算后可以直接得到受力和扭矩值
Force and Torque.jpg

单位长度的绕组电感系数
单位长度电感数值.jpg

计算得到的电感矩阵耦合系数
电感矩阵耦合系数.jpg

除了以上可以直接得到的计算结果外，点击Post Process/Nominal Problem在这里通过利用Plot、Geometry以及场计算器等一些后处理操作得到需要的数据

点击Plot，我们可以实现以下功能

1、获取电机任意部分剖分效果图，利用mesh.下图给出的是整个模型的剖分示意

2、获取电机中软磁材料的磁化曲线，利用BH Curves.在本例中可选stator、rotor、shaft.下图给出定子材料的磁化曲线stator
定子磁化曲线.jpg

3、获得电机的磁场分布，利用Field/flux lines，可以画出电机任意部分的磁力线分布图。下图给出的是整个电机的磁力线分布
flux lines.jpg

4、获得电机的磁密分布云图，利用Field/mag B，可以画出电机任意部分的磁密分布云图。下图给出的是整个电机的磁密分布云图
场图.jpg

5、用Geometry/Circle画出气隙线，然后通过场计算器获取气隙磁密波形曲线
场计算器求解气隙磁密.jpg

气隙磁密的波形曲线客观上还取决于具体的位置，比如距定子内圆或转子外圆的距离，不同位置受齿槽影响不同，因此得出的曲线也会有所不同，下面给出气隙磁场某一位置的气隙磁密波形图
air gap flux density.jpg

用同样的方法，我们可以得到定子齿磁密、转子齿磁密的波形曲线，这同样是电机设计的一个重要指标。通过得到圆周方向的分布曲线，我们可以验证电机设计是否合理，过高和过低的磁密都是不合适的。取齿宽最狭处，用Geometry/Circle画线，经场计算器计算，得到下面的磁密分布曲线
定子齿磁密分布
stator tooth.jpg

转子齿磁密分布

wayne · 发表于 2009-1-11 12:57

电机静磁场分析部分我就先说这么多，下面谈谈异步起动永磁同步电机的瞬态分析。当然，大家最关心的肯定是电机的起动过程仿真了，我准备分3个楼层阐述。原则还是，其他专题说过的，我就不详细说了。本楼重点谈下瞬态仿真的前处理工作，主要是对某些参数的处理，谈下我的个人见解，如果有不对的地方，希望各位高手多多指点，谢谢！

1、转子起动绕组的参数设置

说白了就是电机端环中相邻导条之间电阻和电感参数的求解，Maxwell2D瞬态分析里的学名叫End resistance between adjacent conductor和End inductance between adjacent conductors，这两个参数在边界/源设置中是要用到的。但是RMxprt5.0对line-start PMSM的磁路计算结果中却不包含这两项关键的参数。除了可以采用另外的电磁计算程序追加估算的方法，针对Ansoft机电仿真软件本身，我认为可以再次利用RMxprt5.0做一个相同的异步电机，该异步电机与line-start PMSM的区别在于除了转子没有磁钢外，完全一致。该异步电机求解出的端环电参数，可以近似用于同一规格的line-start PMSM的瞬态分析。下面给出的是RMxprt5.0求解异步电机得到端环参数的过程

IM设计1.jpg

在运行之后的设计输出计算单里，我们就得到了想要的两个端环参数

端环参数.jpg

2、瞬态运动分析中的阻尼转矩问题

对于line-start PMSM，我们在瞬态分析中通常关注的是电机能否起动。在起动仿真中的运动设置选项中，空载起动和负载起动其实只是差了一个负载转矩，如下面两图所示

空载运动设置.jpg

空载运动分析设置

负载运动分析设置

这里也有一个参数也是计算单上没有的，就是damping。它和Moment of Inertia（转动惯量）一样，都是机械运动分析中的重要参数。damping可以认为理解为阻尼转矩系数，其数值反映了机械耗（计算单中的Friction and Wind Loss）在不同转速下的大小，具体的计算公式为damping=（Friction and Wind Loss）/ω^2；其中分母是电机角速度的平方，这里ω=2πn/60。上图所示为额定转速下的阻尼系数，即将n=1500rpm代入，计算得到damping=0.00648456N.m.sec/rad