Maxwell与Simplorer联合仿真方法及注意问题剖析

三相鼠笼式异步电动机的协同仿真模型实验分析
本文所采用的电机是参照《Ansoft 12在工程电磁场中的应用》一书所给的使用RMxprt输入机械参数所生成的三相鼠笼式异步电动机，并且由RMxprt的电机模型直接导出2D模型。

由于个人需要，对电机的参数有一定的修改，但是使用Y160M--4的电机并不影响联合仿真的过程与结果。

1.1 Maxwell与Simplorer联合仿真的设置
1.1.1Maxwell端的设置
在Maxwell 2D模型中进行一下几步设置：
第一步，设置Maxwell和Simplorer端口连接功能。

右键单击Model项，选择Set Symmetry Multiplier项，如图1.1所示，单击后弹出图1.2的对话框。

图1.1 查找过程示意图
图1.2 设计设置对话框
在对话框中，选择Advanced Product Coupling项，勾选其下的Enable tr-tr link with Sim 。

至此，完成第一步操作。

第二步，2D模型的激励源设置。

单击Excitation项的加号，显示Phase A、Phase B、Phase C各项。

双击Phase A项，弹出如图1.3所示的对话框。

图1.3 A相激励源设置
在上图的对话框中，将激励源的Type项设置为External，并勾选其后的Strander，并且设置初始电流Initial Current项为0。

Number of parallel branch项按照电机的设置要求，其值为1。

参数设置完成后，点击确定退出。

需要说明的一点是，建议在设置Maxwell与Simplorer连接功能即第一步之前，记录电压激励源下的电阻和电感。

事实上，这里的电组和电感就是Maxwell 2D计算出的电机的定子电阻与定子电感。

这两个数据在外电路的连接中会使用到，在后面会详细说明。

至此，Maxwell端的设置完毕。

1.1.2 Simplorer端的设置
Simplorer端的设置，主要是对电机外电路的设置，具体的电路会在空载实验和额定负载实验中详细给出，这里不再赘述。

1.1.3 联合仿真时间的设置
联合仿真时，Maxwell和Simplorer同时运行，程序按照各自设定的时间和步长运行。

其中Simplorer是主动者，Maxwell是被动者，当Maxwell运行完毕但Simplorer尚在运行时，Maxwell将重新运行，与Simplorer进行数据交换。

在实践中，发现仿真时间的设置对结果有一定的影响。

例如，将二者仿真时间和步长设置相同的话，仿真的结果就不正确。

在反复试验的前提下，得到如下经验：将Simplorer的时间和步长设置长一些，将Maxwell的时间和步长设置短一些，这样实验的结果就接近正确值。

1.1.4 2D模型的导入
2D模型的导入Simplorer中的步骤，如图1.4所示。

图1.4 导入步骤
点击以后，会弹出图1.5所示的对话框。

图1.5 2D导入对话框
其中File项是指待添加Maxwell 2D模型的位置，下面的选项是选择2D模型还是3D模型，Solution项是选择对应的TR。

1.2 空载实验协同仿真分析
1.2.1 Simplorer电路设置
空载实验的电路图如图1.6所示。

图1.6 空载实验电路设置图
外电路的确定主要是通过以下几个步骤：
①电源电压不能直接与电机的三相输入端口直接相连，通过查阅资料得知，需要在线路上添加电阻或电感器件。

实验初始，加入小电阻，相当于电源的内阻，在外电路设置的基础上可以运行。

②三相输出连接在一起，接地与不接地不影响实验的结果，这个是通过对比验证得出的结论。

③MotionSetup1端口，是在2D模型中Model项的修饰部分，在生成2D模型时系统自动设定。

经过对比实验，得出如下结论：如果MotionSetup1输入端口接入转速源，改变转速源的参数值不影响电机的输出变化；如果MotionSetup1输入端口接地，电机的输出结果与加入转速源的输出结果是一致的，因此，MotionSetup1输入端口不管接什么类型的源，均不影响电机的输出结果。

但是在2D模型中改变MotionSetup1的话，输出将随着输入的不同转速发生改变，于是就知道MotionSetup1输入端口取决于2D模型中的设定，跟Simplorer中的连接方式没有任何关系。

在此基础上，选定Simplorer中MotionSetup1输入端口接地。

④对于MotionSetup1.out的设定也是通过对比实验来确定：
在其他外电路连接完全相同的条件下，输出端口接地和接转动惯量的电机定子电流如图1.7和1.8所示：
图1.7 输出端口接地的定子电流图
图1.8 输出端口接转动惯量的定子电流图
通过对比可以看出，接地的定子电流稳定的要快，而接转动惯量的定子电流稳定的要慢，但是和原来的导入RMxprt模型实验和自带电机模型试验的定子电流图保持一致。

也就是说，加入转动惯量以后，电机会仿真起动过程，这就是先前的实验中为什么要加入转动惯量MASS_ROT的原因了。

⑤本实验最关键的一点就是对电阻和电感数值的选取。

a、先前在线路中只加入一小电阻，考虑作为电源内阻的功能，但是出来的
定子电流相当不理想，如图1.9所示。

图1.9 单纯加入小电阻的定子电流图
从上图看出，虽然三相电流最终达到稳定，但是明显不符合要求：A相电流太大，B、C相电流相对较小，而且还是负值，这与理想中的空载电流相差很大。

b、如果加入小电阻和小电感，电流的波形与图1.9相差不大。

c、在前两组实验中，得到的结论是线路的电阻和电感不能随意设定，必须设置合适的参数才能得到正确的结果，在此基础上，考虑将电阻值设定为电机的定子电阻值，将电感值设定为定子的漏感。

执行新的实验方案，得到了正确的波形。

总结以上几点的分析，并结合一定数量的实验，得出图1.6电机的空载实验原理图：
A、B、C为三相电压，有效值为220V，相位依次相差
120；R1、R2、R3为电机的定子电阻，值为0.921989Ω；L1、L2、L3为定子侧的漏电感，值为0.00777424H；电机的三相输入接电源，三相输出连接在一起，MotionSetup1输入端口接地，输出端口接电机的转动惯量，值为0.0968218㎏㎡。

至此，线路连接完毕。

6.2.2 实验结果及分析
1、定子相电流波形如图1.10所示。

图1.10 空载实验定子相电流波形从图中可以看出，电机在0.8s左右完成起动过程，此后稳定在空载状态，空载电流的有效值为2.43A。

与RMxprt的空载电流2.40252A相比，差距不大。

2、电机转速图如图1.11所示
图1.11 电机的转速图
电机开始启动，转速逐渐上升，最终稳定在1500rpm。

1.3突加突卸负载的协同仿真
1.3.1实验原理图
实验原理如图1.12所示。

图1.12 突加突卸负载实验原理图
实验中，0～1s时电机完成起动并稳定在空载状态；在2s时加入负载，负载转矩为24 N·m，1～2s电机处于负载状态；在3s时卸去负载，电机处于空载状态，仿真时间为4s。

6.3.2实验结果及分析
1、定子相电流图如图1.13所示
图1.13 突加突卸实验定子相电流图
从图中可以看出，在0～2s时电机完成起动并稳定在空载状态；在2s时加入负载时，定子电流开始上升，最终在稳定的负载状态；在3s时卸去负载，电流开始下降，最终回到空载状态。

2、电机转速如图1.14所示
图1.14 突加突卸实验电机转速图
从图中可以看出，在0～2s时电机完成起动并稳定在空载状态，空载转速为1500 rpm；在2s时加入负载时，电机转速开始下降，最终运行在某一确定转速；在3s时卸去负载，转速开始上升，最终稳定在空载状态。

3、电机的转矩图如图1.15所示
电机的转速图与先前的实验趋势相同。