一种利用Maxwell2D获得永磁电机空载漏磁系数的方法

2 空载漏磁系数 0 分析的难点
由于空载漏磁系数 0 是一个计及磁路饱和 和各种磁通量泄漏的饱和值, 其考虑的内容非常 复杂, 包括电机的定、转子槽漏磁、线圈端部漏磁、 斜槽度漏磁、永磁体自身短路漏磁、转子表面漏磁 等多种因素。由于永磁体励磁的磁路其个别部分 磁饱和程度非常高, 漏磁通也比较难以分析, 常规 磁路算法很难对其精确计算。因此, 利用常规的 解析方法是无法得到准确数值的, 一般文献中提 供的参考值范围也很大, 简单的利用其经验值计 算永磁电机的主要参数, 往往使永磁电机的试验 值与计算值偏差较大, 导致电机性能不合格。
Ab stract No load leakage flux coefficient 0 is an im portant param e ter in ca lculat ing and analyzing PM m ach ine, it is very d ifficu lt to get through sim p le m ethod generally, so it brings a g reat dea l o f troub les to sc ientif ic research and eng ineering personne.l T h is paper introduces an approach to get no load leakage flux coefficient o f PM m ach ine by M axw ell 2D. T his approach has the advantages o f sim p le operation and high accuracy re su lts, thus it is very suitable for use in eng ineering.
稀 (稀土矿 的储藏 量为世 界其他 各国总 和的 4倍左右 ) , 号称 稀土王国 , 因此充分发挥我国 稀土资源丰富的优势, 大力研究和推广应用以稀 土永磁电机为代表的各种永磁电机, 特别是高效 节能永磁同步电动机的开发, 对我国机电行业进 步的可持续发展具有重要的现实意义。
永磁同步电动机采用稀土永磁材料代替励磁 电流提供激励磁通, 有的还设置了鼠笼用于异步 起动, 具有较高 的起动转矩, 因此具有运 行效率 高、功率因数高、起动性能好、装配结构简单等优 点, 推广、应用前景甚好。永磁可取代目前各种相 应容量的直流电机和异步电机, 同时还可很好的 满足对 转速偏 差要求 高的场 合 ( 如化 纤机 械负 载 ), 国内很多厂家都大力研究生产永磁电动机 和发电机。
一种利用 M axw ell 2D获得永磁 电机空载漏磁系数的方法
刘建忠
龙煤矿业集团股份有限公司双鸭山分公司供电公司, 黑龙江双鸭山 ( 155100)
摘 要 空载漏磁系数 0 是永磁电机 计算和 分析中 一个重要 参数, 很难 通过一 般简单的 方 法得 到, 给科研、工程人员分析计算永磁电机带来了较大的麻烦, 介 绍一种利用 M axw ell 2D 来 获得 永磁 电机空载漏磁系数的方法, 该方法操作简单, 结果精确度高, 非 常适合工程使用。
首先在 Anso ft 12. 1环境中建立一个 RM xprt 项目, 电 机 类型 选 择 直 接起 动 永 磁同 步 电 动 机 , 强烈建议读者采用该方法进行建立模型, 除 非有及特殊 情况 ( 例 如采用 非常罕 见的 磁路 结 构 )不要自己建立有限元模型, 这样作不但节 省 大量的建模时间, 也会使模型的精确度和兼容性 大幅度提高。
本文主要利用其中的 M axw ell 2D 软件来分 析, 它具有以下特点
( 1) 支持 2D 模型 有限元 分析, 界面集 成统 一, 操作性好。
( 2) 支持静态电磁场、瞬态电磁场、交直流电 场等多种场分析。
( 3) Байду номын сангаас axw ell 2D 支持涡流效应、支持 漏电抗 补偿、支持外电路耦合分析。通过特殊处理可支
为了获得永磁电机的空载漏磁系数 0, 必须 要使用 M axw ell 2D的静态电磁场求解器, 静态电
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图 3 永磁电机空载下磁路磁力线分布
通过图 3还可发现永磁体和定、转子槽边缘 存在着磁短路现象, 其磁通密度云图中, 也可发现 磁路过饱和的区域, 因此可以说该磁路能够反响 磁短路对和过饱和对计算结果的影响。通过获得 预先设置 的两 个 点的 F lux _L ines数 据表 ( 见 图 4) , 可得到这两个关键点的 A z矢量值, 其实就是
3 A nso ftM axw ell 2D 软件简单介绍
Anso ft是世界上较先 进的专业高、低频电磁 场有限元、边界元分析集成系统, 一直专注于电磁 分析领域。A nsoft M axw e ll 2D ( 3D )、Anso ft Rmx prt、Anso ft S imp lo rer等程序特别适合电机制造业 和 其它类 似企 业应 用 。 A n soft的 各个 专 业 程序 可 以集成做耦合分析, 例如用 RM xprt建立变频电动 机和变频器模型然后用 M axw ell 2D 做它们的电 磁场分析接着用 Q3D 抽取封装电阻、电感、电容 等元件参数再用 SIM PLORER做集成耦合分析后 用 HFSS做电磁兼容性分 析, 最后用 ePhysics做 热分析。
( 6)支持机械特性 (转动惯量、转矩、阻尼、转 速 )对系统影响。
( 7)后处理非常强大, 支持表格、云图、曲线、 三维曲线、动画多种形式; 支持场函数计算器 ( 例 如梯度、散度、弦 度运 算 ) , 支持 多种 数 学运 算 ( Avg、Abs、cosf等 ) 并支持傅立叶级数分解等等。
( 8)易学、操作简单。有别于其它软件, M ax w ell 2D 对操作者的专业知识要求较高, 但对其它 要求较低例如英语、高数、有限元基础等。
图 2 异步起动永磁电机模型
4. 3 有限元网格划分 在一般的有限元软件当中, 有限元网格的划
分操作非常复杂其精度也非常重要, 有限元网格 质量对计算分析的结果精度起着关键性作用。而 在 M axw e ll 2D 中, 读者完 全不用担心, 该程序可 自动对模型进行符合要求的高质量网格划分而无 需读者参与。另外, 如果读者对其精度有进一步 的要求, 还可自行手动划分网格或对原有网格加 密处理。就一般情况而言, 该程序自动划分的网 格就足以满足计算精度了。 4. 4 求解器的选取与激励条件
4 利用 M axw ell 2D 获取空载漏磁系 数 0 的具体方法
4. 1 该方法的分析思路 根据空载漏磁系数 0 的原始公式, 我们如果
准确的得到了永磁体向外部磁路提供的总磁通和 外磁路中的主磁通的准确值, 那么它们的比值就 是空载漏磁系数的准确值。本文将以某异步起动 永磁三相同步电动机 (因为这种电动机的磁路在 永磁电机中算是比较复杂的, 其电机应用也是较 多的 )为例, 对其静态磁场进行分析, 并在该电机 的磁路中设置两个特殊的点, 之后通过分析获得 这两个关键点的单位磁通量数值, 最终求得该电 机的空载漏磁系数并用试验值验证其准确性。 4. 2 有限元模型建立
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但是在永磁电机设计中空载漏磁系数 0 是 永磁电机计算和分析中需要的一个重要参数, 很 难通过一般简单的方法得到, 对科研、工程人员分 析计算永磁电机带来了较大的麻烦, 本文介绍一 种利用 M axw ell 2D 来获得永 磁电机空载漏磁 系 数的方法, 该方法操作简单, 结果准确, 非常适合 工程使用。
关键词 水轮机; 泥砂磨损; 汽蚀; 耐磨涂层 中图分类号 TM 313 文献标识码 A 文章编号 1008 7281( 2010) 05 0024 04
An Approach to G et N o Load Leakage F lux Coefficient of PM M ach ine byM axw ell 2D L iu J ianzhong
路位置。 在相关教材和资料中, 作者通常是对几种典
型结构电动机的空载磁场进行计算、试验, 总结归 纳出一系列空载漏磁系数曲线, 研究技术人员可 根据曲线选取 0, 这样就可以并利用基于磁路解 析法的相对简单方便的电磁计算公式来计算永磁 电机的各项性能和参数, 可以说在得到空载漏磁 系数 0 的准确值后, 永磁电机的计算分析就和普 通电机非常相似, 因此所空载漏磁系数 0 选取的 准确与否是永磁电机电磁设计的关键。
1 空载漏磁系数 0 的概念与重要 性
电机的电磁设计是永磁电动机设计中的难点 和重点, 其中空载漏磁系数 0 是永磁电动机电磁 设计中的关键参数, 它不但标志着永磁材料的利 用程度和抗去磁能力, 同时对电动机的关键性能 也起着重要的影响, 其原始公式为
0= m
式中, m ! 永 磁 体向 外 部 磁路 提 供 的 总 磁通; ! 外磁路中的主磁通, 一般取经过气隙后的磁
图 1 永磁电机磁路形式选择
在建立模型时, 还有一点需要特别注意, 就是 一定要将定子线圈、转子端环、定子斜槽度 ( 由于 结构关系, 永磁电机不推荐使用 转子斜槽 ) 等数 值一定要按要求输入, 这样其计算结果才是一个 考虑到各种漏磁的准确结果, 最终经过自动建模 并按周期性简化过的永磁电机模型见图 2, 利用 M axw e ll 2D 自动建立该电动机的 2D有限元模型, 由于同步电动机是按每极绝对对称的, 该电机的 模型被简化为原模型的 1 /8。
RMXprt有着良好的输入界面, 一般技术人员 可以很容易的理解与操作。读者按照软件提示, 一步步填写电机参数就可得到电机的准确模型,
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其中比较关键的项目就是永磁电机磁路形式的选 择 ( 见图 1) , 该程序支持多达 8种不同的永磁体 磁路, 基本覆盖了工程上常用的各种类型, 读者一 定要注意磁路形式不要选错, 否则其结果会有很 大的偏差。
磁场表现的是电机在某一特定条件下的特殊稳定 状态, 选择该项目 So lution T ype菜单项, 在窗口中 选择 M agnetostat ic, 确定后该方案求解器将改为静 态电磁场求解器, 并且原激励条件全部删除, 并按 如下条件输入该电机的激励参数, 这是一种磁路、 电路完全对称的特殊状态。