走近Infolytica之永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生機理分析上篇【轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動是幾乎不可能被消除,而只能削弱的。其中關(guān)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(dǎo)致反電勢波形不可避免的受到影響,從而增大電機輸出轉(zhuǎn)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(dǎo)致的電流和反電勢的非正弦畸變也會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。

本文主要就電機本體所帶來的轉(zhuǎn)矩脈動進行分析,對逆變器等電源器件所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動,以及降低逆變器引起的轉(zhuǎn)矩脈動所需要的控制策略等內(nèi)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的設(shè)計參數(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?jǐn)?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(shè)計目標(biāo)而改變;而磁路飽和系數(shù)的選取則同樣需要根據(jù)提高電機效率還是降低轉(zhuǎn)矩脈動的設(shè)計目標(biāo)之間進行權(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)矩脈動時,都可能在滿足其他控制目標(biāo)的同時加重了轉(zhuǎn)矩脈動。

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(zhuǎn)子斜極對齒槽轉(zhuǎn)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(yīng)用MotorSolve軟件和MagNet軟件進行相應(yīng)的仿真分析,分別對2D模型下電機的齒槽轉(zhuǎn)矩和斜槽效應(yīng)的仿真方法進行講解。

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

?2應(yīng)用MotorSolve軟件進行齒槽轉(zhuǎn)矩的設(shè)計仿真

在MotorSolve軟件中進行齒槽轉(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,然后自動生成多個不同的電機設(shè)計原型。

圖2具有不同轉(zhuǎn)子斜極角度的設(shè)計原型

每個電機設(shè)計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)距分別對應(yīng)0,0.15……7.5度。斜極7.5度時的轉(zhuǎn)子如下圖所。

圖3斜極7.5度時的轉(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)矩曲線的數(shù)據(jù)點個數(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)計原型的結(jié)果被放在結(jié)果曲線中,如下圖所示,默認(rèn)的是最初構(gòu)建的設(shè)計原型,這里可以手動點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軟件中實現(xiàn)相應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩計算

MotorSolve軟件中建立的模型可以一鍵導(dǎo)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(dǎo)出選定的設(shè)計原型到MagNet軟件

用MagNet軟件打開剛剛導(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)運動求解器進行求解。需要注意的是對于齒槽轉(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,此時導(dǎo)出的模型文件包含了全部MotorSolve軟件中當(dāng)前進行齒槽轉(zhuǎn)矩計算所采用的參數(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(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,同時每次只能導(dǎo)出當(dāng)前已經(jīng)選擇的設(shè)計原型,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軟件中進行參數(shù)化設(shè)置,也需要相應(yīng)的做轉(zhuǎn)速等多個方面的參數(shù)設(shè)置。

圖8 MagNet軟件中打開的模型(設(shè)計原型之一)

圖9自動生成的不同轉(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(dāng)前構(gòu)造面(缺省條件下為XY平面)內(nèi)的2D模型截面進行求解,參見下圖左下角的圖例所標(biāo)識出來的齒槽轉(zhuǎn)矩求解結(jié)果,可知對于2D求解,不論設(shè)置的斜極角度為多少,都對計算結(jié)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(guān)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(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題,這里簡單講解采用3D模型求解所可能面臨的設(shè)置問題,多數(shù)情況下不需要任何額外的設(shè)置,但是對于本文中的案例,由于每槽繞組存在上下兩層導(dǎo)線,導(dǎo)線之間沒有氣隙的情況,還是需要做一些設(shè)置,這里主要是對導(dǎo)線之間截面設(shè)置理想絕緣邊界條件。因為2D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,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)先級并進行網(wǎng)格剖分時讓此邊界條件生效。

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,但求解時間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2D模型,在很多場合下導(dǎo)致工程上不可取。

轉(zhuǎn)自:《西莫電機技術(shù)》第13期之名家講壇

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