走近Infolytica之永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理分析上篇【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-03  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

?1前言

在很多的應(yīng)用場(chǎng)合,永磁同步電機(jī)(PMSM)都被要求輸出波形盡可能平滑的電磁轉(zhuǎn)矩,理論上講這需要有完全正弦的定子繞組激勵(lì)電流波形和正弦的反電勢(shì)波形。但實(shí)際上,但實(shí)際上由于電機(jī)本體和變頻器等控制器件這兩個(gè)方面決定了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是幾乎不可能被消除,而只能削弱的。其中關(guān)于電機(jī)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(diǎn)等因素導(dǎo)致反電勢(shì)波形不可避免的受到影響,從而增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值。而電機(jī)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(dǎo)致的電流和反電勢(shì)的非正弦畸變也會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

本文主要就電機(jī)本體所帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析,對(duì)逆變器等電源器件所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),以及降低逆變器引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所需要的控制策略等內(nèi)容放在后續(xù)的文章中進(jìn)行分析。

一般來(lái)講,在電機(jī)本體方面,會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有:

1. 齒槽效應(yīng)和轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)形式等因素引起的齒槽轉(zhuǎn)矩;

2. 繞組分布不滿(mǎn)足正弦規(guī)律等引起的諧波轉(zhuǎn)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(gè)影響因素中:電機(jī)繞組分布不滿(mǎn)足正弦規(guī)律的影響因素可以通過(guò)增加定子齒槽數(shù)以及采用分?jǐn)?shù)槽繞組等手段彌補(bǔ),但從電機(jī)定子的齒槽數(shù)和繞組布局往往不會(huì)因?yàn)閱我辉O(shè)計(jì)目標(biāo)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(jī)效率還是降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡;至于控制方面,不管采用哪種控制策略,但控制目標(biāo)不是減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)時(shí),都可能在滿(mǎn)足其他控制目標(biāo)的同時(shí)加重了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

齒槽效應(yīng)引起的齒槽轉(zhuǎn)矩一般是首先受到關(guān)注的,降低齒槽轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gè)定子槽節(jié)距),同時(shí)也會(huì)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(yàn)以及優(yōu)化算法進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)子斜極對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響及其仿真分析方法進(jìn)行討論,在電機(jī)仿真模型中,斜槽或斜極通常只能通過(guò)3D模型來(lái)模擬,但是3D模型對(duì)于建模與仿真計(jì)算都有較高的要求,2D模型就成為很多電機(jī)仿真的首選。這里重點(diǎn)講解如何應(yīng)用MotorSolve軟件和MagNet軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析,分別對(duì)2D模型下電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和斜槽效應(yīng)的仿真方法進(jìn)行講解。

本文以某型70kW的PMSM驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例,分別采用MotorSolve軟件和MagNet軟件對(duì)其齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。

?2應(yīng)用MotorSolve軟件進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)仿真

在MotorSolve軟件中進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)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(duì)諸如轉(zhuǎn)子斜極等設(shè)置參數(shù)值的取值區(qū)間,然后自動(dòng)生成多個(gè)不同的電機(jī)設(shè)計(jì)原型。

圖2具有不同轉(zhuǎn)子斜極角度的設(shè)計(jì)原型

每個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)原型的斜極角度不同,這里設(shè)置成0-1,間隔0.2,其含義是設(shè)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(duì)應(yīng)0,0.15……7.5度。斜極7.5度時(shí)的轉(zhuǎn)子如下圖所。

圖3斜極7.5度時(shí)的轉(zhuǎn)子

要得到齒槽轉(zhuǎn)矩,需要在MotorSolve軟件的結(jié)果(Results)中選擇電機(jī)結(jié)果>性能圖表>齒槽轉(zhuǎn)矩,為了獲得更為精確的求解結(jié)果,可在精度和準(zhǔn)確度一欄中輸入較大的數(shù)字,如下圖所示,輸入齒槽轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為48,求解速度/精度權(quán)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(zhuǎn)矩求解的設(shè)置

除了上述設(shè)置以外,輸入欄中還可以自定義哪些設(shè)計(jì)原型的結(jié)果被放在結(jié)果曲線(xiàn)中,如下圖所示,默認(rèn)的是最初構(gòu)建的設(shè)計(jì)原型,這里可以手動(dòng)點(diǎn)擊全部原型以便得到全部不同轉(zhuǎn)子斜極角度的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。

圖5選擇所有的設(shè)計(jì)原型

圖6全部不同轉(zhuǎn)子斜極角度的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

?3在MagNet軟件中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩計(jì)算

MotorSolve軟件中建立的模型可以一鍵導(dǎo)出為MagNet軟件可以識(shí)別的模型文件,然后在MagNet軟件中進(jìn)行純粹的有限元計(jì)算。

圖7 MotorSolve導(dǎo)出選定的設(shè)計(jì)原型到MagNet軟件

用MagNet軟件打開(kāi)剛剛導(dǎo)出的模型文件,可以查看更多模型的細(xì)節(jié),并根據(jù)需要進(jìn)行修改,缺省條件下導(dǎo)出得到的模型可以在MagNet軟件中直接采用2D瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)求解器進(jìn)行求解。需要注意的是對(duì)于齒槽轉(zhuǎn)矩的求解,在導(dǎo)出模型前需要在MotorSolve軟件中執(zhí)行一次齒槽轉(zhuǎn)矩的求解,然后在結(jié)果欄(Results)中執(zhí)行導(dǎo)出操作,此時(shí)導(dǎo)出的模型文件包含了全部MotorSolve軟件中當(dāng)前進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩計(jì)算所采用的參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)矩波形。如果從設(shè)計(jì)(Design)中導(dǎo)出模型文件,則只包含模型的基本信息,不包含求解齒槽轉(zhuǎn)矩所涉及的參數(shù)取值,同時(shí)每次只能導(dǎo)出當(dāng)前已經(jīng)選擇的設(shè)計(jì)原型,因此要得到不同斜極角度下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形,還需要在MagNet軟件中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置,也需要相應(yīng)的做轉(zhuǎn)速等多個(gè)方面的參數(shù)設(shè)置。

圖8 MagNet軟件中打開(kāi)的模型(設(shè)計(jì)原型之一)

圖9自動(dòng)生成的不同轉(zhuǎn)子斜極角度的工況

求解結(jié)果得到的零時(shí)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(dǎo)出的模型既可以采用2D求解,也可以當(dāng)作3D模型來(lái)求解,如果采用2D求解,則斜極角度的值會(huì)被忽略,軟件只對(duì)當(dāng)前構(gòu)造面(缺省條件下為XY平面)內(nèi)的2D模型截面進(jìn)行求解,參見(jiàn)下圖左下角的圖例所標(biāo)識(shí)出來(lái)的齒槽轉(zhuǎn)矩求解結(jié)果,可知對(duì)于2D求解,不論設(shè)置的斜極角度為多少,都對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)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(duì)上述斜極問(wèn)題或者斜槽問(wèn)題進(jìn)行求解,需將電機(jī)沿軸向分成多個(gè)分段,每個(gè)分段仍舊按照無(wú)斜槽無(wú)斜極來(lái)進(jìn)行2D求解,但多個(gè)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(jìn)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(guān)注后續(xù)的文章進(jìn)行了解。

圖11 MagNet軟件中直接2D求解得到的齒槽轉(zhuǎn)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(wèn)題,這里簡(jiǎn)單講解采用3D模型求解所可能面臨的設(shè)置問(wèn)題,多數(shù)情況下不需要任何額外的設(shè)置,但是對(duì)于本文中的案例,由于每槽繞組存在上下兩層導(dǎo)線(xiàn),導(dǎo)線(xiàn)之間沒(méi)有氣隙的情況,還是需要做一些設(shè)置,這里主要是對(duì)導(dǎo)線(xiàn)之間截面設(shè)置理想絕緣邊界條件。因?yàn)?D模型中不同區(qū)域的導(dǎo)體之間默認(rèn)具有絕緣的邊界線(xiàn),而3D模型由于需要考慮更為復(fù)雜的情形,不同導(dǎo)體之間如果有接觸,則默認(rèn)并不相互絕緣,而是可以設(shè)置絕緣邊界條件或者表面阻抗邊界條件等。

圖12設(shè)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(nèi)層導(dǎo)體的外部表面設(shè)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(jí)并進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)讓此邊界條件生效。

圖13設(shè)置理想電絕緣邊界條件的表面

在設(shè)置了上述邊界條件,還需要設(shè)置內(nèi)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(nèi)部孔洞表面設(shè)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(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2D模型,在很多場(chǎng)合下導(dǎo)致工程上不可取。

轉(zhuǎn)自:《西莫電機(jī)技術(shù)》第13期之名家講壇

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