【《一款电动环卫车永磁同步电机的有限元分析案例》5600字】

一款电动环卫车永磁同步电机的有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u953一款电动环卫车永磁同步电机的有限元分析案例 1281541.1有限元设计方法和软件简介 1123201.2电磁场基本理论 3305611.3永磁同步电机的建模与仿真 418411.3.1电机等效磁路模型 4150931.3.2电机有限元网格划分 6312951.3.3电机磁场分布 7245911.3.4电机的永磁磁链 9269501.3.5电磁力矩的转矩-电流角特性曲线 10278051.3.6典型工况仿真 11227421.3.6永磁同步电机损耗分析 121.1有限元设计方法和软件简介有限元分析方法(有限元分析)的主要指导思想之一就是简化复杂的问题并加以数学处理。对插值计算和划分网格进行运用。进而使得连续区域由之前的几何离散地形成=数量有限的连续体。但又独立的很小的区域。在小规模区域中,直接转换能够以求解的微分方程出现的各类边界值问题为多函数极值问题，这样就能够有效计算技术解的数值。有限元方法中,任何单元单元节点的字段量可以用节点的元素边界与其它边界相交的的字段量来表示。。因此可以通过不同边界相交所形成的节点字段量进行表示，所以能够对电磁场的计算被认为是处于数量有限节点的场量解同时自由度有限计算实际上是等同于自由度无限计算的[60]。与其他方法相比，有限元方法有以下优点。（1）有限元方法的几何横截面变化很多，非常适合处理电机这样的解决方案区域的复杂的数值解问题。（2）能够对一些非线性问题进行有效计算。（3）不同环节的方法实质以上是相对来说较为统一的。另外程序也趋向于标准化。现今市场上所推出的分析电磁有限元软件操作较为便捷，也有着多样化的功能，比如说，InfolyticaMagNet及Fux等。在对同步永磁电动机二为数值进行求解过程中，假设。（1）磁场沿着电动机的轴方向均匀分布。（2）将处于马达外部的磁场省略，将零向量边界看作是定子外径的周围。结合上面的假设，再将代入电磁场环境中，即可得到求解电磁场的有限元方法的具体过程，大致可以分为：对模型进行构建，对边界条件和激发源进行设定；划分网格；对求解选项的各个参数进行设置，同时做之后的处理求解。图4-1.三角形单元格示意图如上图所示的三角形单元格划分法是应用比较普遍的一种划分方式。有限元计算实际上是要求解方程，而且其边界条件也是求解方程组所必需的。边界条件的设置确保了为了确保这个方程式的平滑理论求解，由于相较于空气磁导率，铁磁性材料有着更多的磁导率，所以磁场线在电动机的外表面以及转子轭和旋转轴的接合处都是完全闭合的，所以一般情况下都需要将自然的边界条件施加于电动机外表面[61]。求解选项设定首先需要我们仔细考虑一个区域磁场可以划分为涡流场、顺泰场、稳态场以及交变电场和静电场等等，之后以软件设定。一个关于解决模式方案的参数选项，包括电感转矩、电磁力等各方面的设置参数。在计算完成有限个单元解后,这些计算结果需要适当地直接进行后处理。这里主要包括综合处理电磁力、扭矩、电感器、磁场等链接，并求解特定电场和磁场处理的场方程式图。基于计算结果，可以使用具有强大功能的计算机进行矢量计算，并获得期望的结果。在对有限元计算概念有了一些理解后,我们要进行相应的有限元分析，有限元分析第一先要对几何模型进行建立，并在模型中应用网格边界条件以及激发源。对于有限元分析来说，激发源的施加是不容忽视的一个环节。每一项计算模型都应当能够对激发源进行保障，也就是说计算出的系统能量不能为零。永久磁极可以看作是同步永久磁电动机的励磁源，通过对词体材料的特性进行设定来达成目标，在对马达空转磁场进行分析过程中，无需对磁力加载定子绕组上对符合条件进行分析，过程中只需要将负荷电流加载于定子绕组上即可。本文设计主要采用的是美国Ansoft公司的Maxwell2D/3D软件，其不仅功能强大，而且结果准确，使用简单，是二维/三维的，是用于电磁场的有限元分析的软件，是用于电场模块、静磁场、旋涡场、包括瞬变场模块和温度场分离模块的多个模块。因此它可广泛应用于对各种电磁设备（例如电动机，变压器，传感器和励磁机）各种工作条件下的特性，例如瞬态，稳态，稳态，静态，正常和故障条件等进行分析[62]。并且由于其自身的特性，它在易用性方面领先于其他软件，因为它的用户界面是从上到下实行了，、当前也有着比较前沿的适应网状服，包括了用户所界定的材料库等等。此外,它还具有高性能的矩阵求解器和多CUP处理功能,从而为其提供了相当快的求解速度。1.2电磁场基本理论众所周知,麦克斯韦方程式就是对电磁场基础理论最为经典的描述。它的势函数相较于磁场测量本身更加容易在其边界上构造条件,因此,当前在对电动机中磁场进行分析时，广泛的应用到了势函数。通常情况下，微分方法和积分方法是麦克斯韦方程的主要两种方法。以积分方程的形式运行使用的各种求解方法我们统称之为积分方程法,而微分方程法所对应的是微分方程法。有限元分析中通常使用的方法之一就是微分方程法,因此我们可以利用选择势函数并且配备其边界条件等方法来获取微分方程组的解。1.3永磁同步电机的建模与仿真1.3.1电机等效磁路模型为了对一些较为复杂的工程问题进行计算和分析，一般情况下，在对一些电子厂复杂问题进行计算时，就可以将其看作是一些磁路问题。同时对磁路的各个部分进行分析计算处于各个位置的磁场，然后对系数进行矫正。与等效的磁路计算相比,进行校正以尽量提高磁电路的计算精度，对计算设计电机初始阶段电子厂的次数进行减少，这样能够使得计算时间得以节省，计算等效磁电路应当满足以下几方面的假设[56]：（1）当前恒定磁通量的主要来源就是永久磁铁，所提供的磁通量源是恒电位。（2）假设每个划分部分的磁电路中的磁通量在磁电路中的横截面和路径上均匀地分布；（3）永磁性材料的退磁曲线我们可以把它看作是一条直线，而恢复线与其相互重合。图4-2.(a).磁通源等效磁路(b).磁动势源等效磁路从上图的永磁电机等效磁路图中，可以得出磁通回路存在如下关系式：Φm=上式中，外磁路中的总磁通量，单位为Wb。永久磁铁提供的一定磁通量，单位：Wb；永久磁体内泄漏磁通量，单位：Wb；永久磁铁ΦmΦrΦ0Am每极磁通穿过的面积,单位：mm2；μr代表的是相对磁导率；μ0代表的是真空中磁导率，其值设定为如下图所示：我们也认为可以通过综合运用戴维南格尔定理,将磁路图4-1(a)的一个磁动势源等效值以外化的方式成为磁路的一部分。等效磁路实际上就是一个磁动势和另一个磁导相互作用串联的磁路形式[32]:形式如下列框图所示:图4-3.磁动势源等效磁路变换图根据公式：Λ'=可得到，磁导Λ'的换算公式。其中，Λ'为变换磁导，单位为：Wb/A；Λδ为气隙磁导，单位：Wb/A；Λ同步永磁定子电动机的内部控制词电路包括了定子磁轭部定子齿部气体间隙部分，在主磁通量下的各段的磁电路中的磁压降的总和ΣF可以用等效磁电路法计算，ΦrΛδ=上式中，F实际上就是雌鸭在不同段磁路的总和，其单位是A。在整个磁电路中，结构产生的磁压降完全不同，因为材料的差异性，相应的磁化曲线也有差异，各个部分形成的词压降，因为指主磁路饱和情况的差异，也有一定的变化产生，所以为了更有效的分析磁电路中主磁传导与空隙参数与磁电路饱和状况之间的关系Λδ与磁路饱和以及气体参数两者的关系，可以利用下列关于ΛΛδ=式中，Kδ为气隙系数。了进行后续的计算我们需要在其中引入一个参数:漏磁系数:σσ=Φm我们由此看出：可以从上述两个式子中可以得出,假设一台直流电机应当处于一个空载时,即如果Fa=0，此时其空载电流漏磁驱动系数σ0应该是在数值上等于该主变换器的磁导Λδ与增加气隙过程中的两个主变换磁导Λ'=Fa'1.3.2电机有限元网格划分下图模型是一种用于利用电机空载的特殊工况下可以进行电机工况计算仿真的电机模型,为了尽量地增加其进行计算处理数据的容易性和减少其重复运转所花费的时间,又因为这种模型电机内部呈现对称结构,这里我们就可以只用电机绘制图画出六分之一的电机模型，模型剖分单元就是前面所提到的三角形剖分单元，其中气隙的剖分比较密集。有限元分析均是以额定功率为22.4KW的驱动电机作为分析对象。图4-1.网格剖分图1.3.3电机磁场分布根据所学到知识可知，实现电动机能量分布转换的基础是电动机的空载磁场[52]，而对于一台电动机的转矩,效率和其正常工作时的性质之间有着重要而具有决定性的相互影响,这就是一个空载驱动磁场中各极基波的磁通量系数值,主要取决于空腔磁场的扭矩大小和能量大小分布[64]。在上章节对同步永磁高速马达的各方面参数进行了着重阐述。在自动模拟和系统建模方面，对ansoft软件进行运用。得到了同步电动机内部转子磁力气隙的传动磁密密度分布图和转子磁力线磁密分布结构图。具体如何见图4-4和或如图4-5所示。图4-5.空载工况下磁密分布图图4-6.空载工况下磁力线分布图通过消除永磁同步电动机的励磁源如图4-7所示，获得了电机的气动间隙磁通密度波形。然后，在对空隙磁通密度波形进行FFT转换后，如图4-8所示，获得空振电动机的空振间隙磁密度谱分布图。图4-7.空载气隙磁密波形图图4-8.空载气隙磁密频谱图由图4-7能够得出结论，在误差范围以内气隙磁密度能够达成要求。另外，通过对ansoft软件的傅里叶变换分析工具进行运用，用于分析气隙磁密度并获得频谱分布。如图4-8所示，我们可以看到气体间隙磁密度的基本成分含量最高，谐波含量中5次，7次和9次谐波含量的比例很小。当然，我们不能忽略三次谐波在谐波含量中的比例。对于三次谐波，我们只能通过优化转子的设计来消除它。[63]1.3.4电机的永磁磁链通过对电机空载情况下的电磁仿真得到其空载磁链基波幅值为0.7408Wb，空载气隙磁密基波幅值为0.8945T，对应1000rpm下的空载相反电势基波有效值为161.53Vrms，空载线反电势基波有效值为285.07Vrms。图4-9.永磁磁链波形图4-10.永磁磁链频谱因为本文驱动电机在设计时所采用的是6极36插槽构造，如果在定子设计中没有采用斜槽和斜极构造的话，在气压电磁密度和空振反电动势中会产生齿轮谐波。的作用影响而导致存在较多的谐波分量,最终造成负载扭矩的变动性增大。通过对斜槽构造进行运用，能够使得对此谐波的影响降到最低。但是因为永久磁极叶集存在于内部，所以加工过程中的难度较高因此可以采用定子斜槽技术。不使用线性斜槽时的相空载和线空载反电动势差的波形形式分别为如下图4-11和图4-12所示。图4-11.相空载反电势波形图4-12.线空载反电势波形1.3.5电磁力矩的转矩-电流角特性曲线电机转速为1000rpm时不同电流有效值对应电磁力矩的转矩-电流角特性曲线如图4-13所示。非弱磁区MTPA角选用60°（参考-d轴）。得出在加载电流为90A时，其最大转矩为250.5467Nm，对应的电流角为30°；将加载电流减半，设为45A时，电机的最大转矩为523.9807Nm，相应的电流角变为35°。曲线形状没有因加载电流的不同而发生变化，但随着加载电流的提高，其转矩受电流角的影响会变大，斜率上升，且对应最大转矩的电流角大小也会变大。加载电流取值对电机的转矩会产生比较大的影响。图4-13.转矩与电流角特性曲线1.3.6典型工况仿真为验证设计电机的在运转工况下的情况如何，本文除空载条件外，另外加设了一个典型的工况仿真：令转矩为214Nm，转速为1000rpm进行工况仿真。电机的电气参数表如下表4-1所示：表4-1214Nm@1000rpm工况电气参数表相电流（Arms/deg）相电压（Vrms/deg）基波功率因数平均转矩（N.m）铜损耗（W）39/60195.23/51.160.988213.9239/60铁损耗（W）效率线负荷（Arms/mm）电流密度（Arms/mm2）热负荷（Arms2/mm3）246.897.73%18.22.647.2如图4-14为电机在214Nm@1000rpm工况下的转矩波形。峰值可达238.7Nm,平均转矩为213.9167Nm，转矩波动波峰为53.5Nm，约为25%。扭矩变动较大，其本质原因在于有着比较突出的齿槽扭矩。因为空载的齿形谐波有着非常丰富的电动谐波量。有负荷电流通过时，齿槽扭矩就会被放大。图4-11.214Nm＆1000rpm工况下转矩波形图4-15.214Nm＆1000rpm工况下磁密分布图4-16.214Nm＆1000rpm工况下磁力线分布1.3.6永磁同步电机损耗分析色散、机械、定子绕组、铜消耗、定子铁消耗是永磁自动启动电机的各方面主要损失。通过对软件进行运用，能够获取到电机铁销号的值。图4-17。所示为驱动电机铁消耗图表。图4-17.永磁同步电机铁耗曲线图电机运行中的铁损包括基本的铁损失和附加的铁损失。当转子的主磁场在定子的铁芯上交叉交变时，会发生损失电机在实际运行时所出现的铁损有附加铁损失和基本铁损失两类。当主磁场交叉于定子铁芯过程中，就会有损失发生。这被称为铁耗。根据激发的产生的不同，可以划分为两类：分别是涡流损失和磁滞损失。所谓的磁滞损失指的就是当铁磁性材料产生交