【《盘式电机的仿真与分析案例概述》4500字（论文）】

盘式电机的仿真与分析案例概述1.1Maxwell3D仿真过程鉴于本课题研究的是盘式电机，根据盘式电机的结构特点，如果仍用一般的Maxwell2D仿真方法并不能从整体上看出盘式电机的整体的结构。而其他的普通电机一般剖面上就可以代表了整个电机，则只需对一个界面进行二维仿真，它虽然能降低工作量，而且结果也有很高的可行度。但是盘式多端口电机的二维界面不能代表着整体结构，所以这里需要对它进行Maxwell3D仿真。Maxwell3D模型的仿真主要包括模型的建立、材料的设置、激励、边界、求解器的添加等，但与此同时也有些大步骤之下的操作与二维模型有所不同。三维仿真模型的建立与二维模型的建立不同，二维模型的建立是首先使用AutoCAD绘图软件建立模型，导出文件然后再导入Maxwell2D模型中进行仿真。但是在建立三维仿真模型时，如果模型结构不是很复杂，直接在仿真软件的3D模块中绘制模型要比从SolidWorks软件导入3D模型更加便捷。例如在这个在建立这个双定子单转子盘式电机的3D模型时，直接利用Maxwell很容易操作的旋转复制功能和建立新坐标的方法，通过灵活改变参考平面相配合，实现了比较便捷的三维建模过程，而且直接绘制的模型省去了去修改文件类型以及后续导入文件可能出现的其它错误。和上述盘式电机的模型建立过程类似，模型建立完毕对绕组设置为copper铜材料，给定转子盘和定子铁心为DW310-35硅钢片材料，所有的磁体均为NdFe35材料。不同的是在添加激励时，每个磁体和线圈都要按照要求设置，它们的激励方向并不是一致的。而对于双子单转子盘式电机的三维仿真，首先应该应对模型的Validationcheck即验证，当验证通过时，便是3D仿真计较关键的一步Analyzeall分析，此过程可能会花费很多至少几个小时的分析，中途没有仔细关注会不定时的出现分析错误，例如内存不足或者断网了等一系列问题，这时候就要对软件的网格剖分划分细一点，时间也进行进一步优化等处理，最后总算验证通过。1.2Maxwell3D仿真结果及其分析1.2.1电机空载状态时的仿真结果分析电机空载是指电机已经发生了启动，但是没有拖动载荷，只是电机在空转时的一种状态，根据盘式电机的运行特性可以得知，当电机的绕组处于开路状态且未通入电流时，电机的电磁场分布全部是由电机的4个永磁体产生。所以要得到空载状态时的电磁特性仿真，首先必须将L型三相接法的绕组通入的电流值设为0，则此时绕组上的电流密度也为0值，且电机的空载转速为1380r/min，此时对电机的仿真所得到的各种曲线和图形均为在空载状态下的电磁仿真特性。双定子单转子盘式电机的空载特性包括空载反电动势、空载转矩、空载磁链、在空载状态时电机的气隙磁密以及各项空载损耗。通过对曲线的分析对比，可以非常直观的知道上述磁路是否是设计合理的。图1.1双定子单转子盘式电机空载运行下的转矩图由图可以看出空载转矩整体比较小，是mN级别的，转矩曲线的范围为-64mN至17mN之间波动，峰值为17mN，但是转矩的整体曲线大都在0.00刻度线以下波动。整体较为平稳，都在这一区间内浮动。图1.2双定子单转子盘式电机的空载的反电动势上述图1.2，红、绿、蓝色曲线分别代表电机的A、B、C三相的反电动势，通过对软件的操控，可以得知A、B、C三相的空载电动势的最大均为17N。图1.3空载的磁链由图1.3可以得到，此电机的空载磁链也比较小，且三相磁链基本上都服从正弦曲线的分布，且三相的磁幅值与周期大体上是相同的，幅值基本上都在0.23Wb，证明磁链的仿真曲线为正弦波动，正弦性较好。很符合设计的要求，曲线之间不会相互重合只是A、B、C三相的相位角大小不同而已。下图1.4为盘式电机在空载运行时的磁密度云图，在对空载盘式电机的磁密云图进行仿真之前，基于之前参考的文献[2]，会发现，可能有些气隙磁密云图从电机的某部分路径进行剖分或者绘制曲线，会更具有代表性并且对该部分结构云图观看得也会相对清晰一些。然而，对于本课题要研究的双定子单转子盘式电机则不然，反而不具有代表性，不能将电机的整体磁密度云图表示出来，因为双定子单转子盘式电机的结构更复杂，只能从整体结构上进行绘制才更具有对比性，也更好分析电机的磁密度规律。图1.4空载时电机的磁密度云图分布对于空载电机而言，因为绕组不通电，只是通过永磁体的旋转而形成的磁力线分布。该磁密度云图是下面转子的磁密度云图与上面定子的磁密度云图分布，深蓝色的磁密度在0.35特斯拉以下，且深蓝色部分是永磁体中心正对的部分，磁密度较小，几乎是空的。对于任何一种电机而言，效率都不可能达到100%，或多或少都存在一些损耗。而至于是哪种损耗更多哪种损耗更小些，这个得看是电机的哪部分结构或者电机此时的工作状态，因此对电机的损耗进行分析也是很重要的分析。下图1.5即为对电机空载时的各种损耗进行介绍和分析哪种损耗多哪种损耗少。图1.5空载损耗曲线图在图1.5中，图中右上角从上至下依次为CoreLoss:铁心损耗、EddyCurrent:涡流损耗、ExcessLoss:附加损耗、HysteresisLoss:磁滞损耗、SolidLoss:大块导体的损耗、StrandedLoss:导线的绕组损耗、StrandedLossAC:交流绕组损耗StrandedLossR:交流绕组的电阻损耗/欧姆损耗。以下是损耗的计算公式。PFe+P式中PFe——Ph——Pe——Pexc——PFe=KhfBmα+Ke(fB)式中Kh——Ke——Kexc——而在这些损耗中，铁心损耗与磁滞损耗是比较大的，磁滞损耗与导体的材料与关，铁心材料中磁滞回线正是磁滞损耗的来源。而各种附加损耗则是由于电磁场的畸变而产生的，且涡流损耗是来自于铁心中涡流的存在。因为在空载时绕组是未通入电流的，所以绕组损耗及相关的损耗都是比较小的，可以忽略不计。而永磁体作为产生电磁场而带动电机旋转的一个关键部分，对于永磁体的研究也是必不可少的，尤其是对于永磁体的合成气隙磁密进行分析，因为气隙磁场的大小和分布除了对电动机的感应电动势取决定性因素，还对电机的转矩特性起着直接性的影响。下图1.6即为永磁体的合成气隙磁密分布图。图1.6空载状态时的永磁体合成气隙磁密分布图上述图1.6为合成矢量Mag_B的分布图，图中4个向下的小凹槽为4个永磁体，也就是相当于四个极，合成的气隙磁密最大值约为945mT，最小约为0T,由整体曲线的变化和走势可看出曲线的变化较为规律、平稳，很符合设计的要求。将1.6的所有曲线进行合成，时间不间断，则可以得到图1.7所示的三维连续曲线分布图，对于永磁体的气隙磁密整体连贯性看得可以更加清晰。图1.7空载状态永磁体所有曲线合成气隙磁密分布图图1.8空载气隙磁密分布的操作界面图1.9Bz的设置界面根据上图界面，然后点击Add步骤，在出现的界面中输入Bz，点击OK，点击Done即可以得到想要设置的BZ。图1.10空载气隙磁密分布图图1.10中红色曲线为合成气隙磁密，为Bx2+By2+Bz2，一共是四个极，且都是正值，而绿色的线Bz为轴向气隙磁密，它的大小是有正负区分的，方向为朝Z方向的，且绿色线的一半一般分别为N-S，N-S。1.2.1电机负载状态时的仿真结果分析当电机带有载荷时，即电机要处在负载状态下运行，此时的定子绕组不再是处于一种断开的状态，而是在三相绕组上通入一定的电流，此时绕组也处于导通状态，且此时电机在负载运行时的电磁转矩一定要大于负载转矩，否则电机无法正常运转。然而对电机负载状态时进行电磁特性仿真时，首先必须对电流、负载转矩等进行仿真。其次由于绕组上通入电流，则在定子、转子、绕组永磁体上的各种损耗也会发生变化。下面就着重对上述几种电磁特性进行仿真。首先开始对双定子单转子盘式电机负载运行状态时的定子绕组上的电流的电磁特性进行分析。图1.11即为对定子绕组的电流分析曲线图。图1.11定子绕组的A相电流图1.11只是对A相绕组上的电流变化进行曲线分析。由图1.11可以看出该曲线的变化是蛮有规律的且存在一定周期性变化，但是图像时有突变的发生，正因为有负载和开关的存在。这很符合对对绕组通电时的状态变化。该曲线的为峰值大概28.5A，经计算电流的均方根值为18A左右。为了看出三相绕组上电流的整体变化规律，图1.12则是将三相电流的变化曲线整合到一个图中，如下图1.12所示。图1.12A、B、C三相的电流曲线图图1.12中的曲线红色、绿色、蓝色曲线分别代表A、B、C三相电流的变化，规律和图1.11单相电流的变化基本相同。图1.13负载转矩曲线由上图1.13可以看出，盘式电机在负载状态下运行时，起初负载转矩从零开始急剧上升，然后经过一个波峰之后开始下降，然后又开始上升下降。最后一直做近似循环往复的上下波动，经过软件的计算，该曲线的负载转矩大约为11.46N/m。以下着重开始对负载运行时的盘式电机的定子、转子、绕组、永磁体上的损耗云图进行类比分析，可以得出它们在不同位置上损耗的差异。图1.14负载运行时转子上的铁心损耗云图由上述图1.14可以看出，在云图上，及时转子上铁心损耗在转子周围每个地方都有，但是也存在着在永磁体边缘的地方铁心损耗是最小的，图中深蓝色部分，这是因为在边缘部分，电磁场也相对较小，而在两个永磁体中间的那部分电磁场很大，相对应的便是铁心损耗也是最大的，此项数值大小与转子的体积也有一定的关系，图中黄色尤其是橙色的部分为铁心损最大的分布区域，从该图上可以得出橙黄部分铁心损耗的值大约为1.36KW/m3。下面则开始对定子上的铁心损耗云图进行仿真并分析。图1.15负载运行时定子上的铁心损耗云图由上图1.15可以看出，在定子上的铁心损耗要比转子上的大5～10倍左右，这是因为定子上的铁心损耗主要集中在线圈绕组附近，因为该地方距离线圈较近，而最大值也在靠近于线圈绕组的定子齿上。定子上虽然通入的是变化的直流，但是它通过开关来变化方向，所以也算是电流变化的一个过程，又因为它距离线圈最近，所以定子齿上的涡流损耗最大。而铁心损耗主要包括涡流损耗与磁滞损耗，磁滞损耗与材料有关，所以铁心损耗主要集中在定子齿附近，最大值也出现在定子齿附近。下图1.16为针对上述的铁心损耗云图而仿真出的铁心损耗结果图。图1.16铁心损耗结果图由上图1.16可以得出，该曲线的波动变化也是蛮规律的，具有一定的周期性可言，且该图的铁心损耗最小值为0，而它的最大峰值在250W上下浮动，经软件计算，该铁心损耗曲线图的均值约为1.5W左右。对定子、转子上的铁心损耗云图进行分析完毕之后，以下则是对绕组上的损耗进行研究分析。如下图1.17所示图1.17双定子单转子盘式电机绕组损耗云图分析对于多匝导线来说，Maxwell软件是不会自动计算它的涡流损耗的，因为绕组是默认的细导线绕制而成的。从上图1.17会发现，绕组损耗大概在109的范围之内，观察绕组地导线分布，它的欧姆损耗即导体损耗主要集中在绕组的形变较大的地方，尤其是在转弯处。但是对于圆弧段绕组附近欧姆损耗是比较小的，因为该段曲率也比较小。而在绕组里面亦是如此，损耗也主要集中在绕组的形变较大的地方，而在直线或者圆弧状附近的欧姆损耗是比较小的，且下面的绕组损耗与上面的绕组损耗是一个对称的关系。这是由于双定子单转子盘式电机结