电气工程学报, 2015, 10(12): 38-43 doi: 10.11985/2015.12.007

理论研究

Magnet在励磁同步电机设计中的应用

张萍, 阎涛, 张宏伟, 李婷

河北工业大学控制科学与工程学院 天津 300130

Application of Magnet in Design of Excitation Synchronous Motor

Zhang Ping, Yan Tao, Zhang Hongwei, Li Ting

Hebei University of Technology Tianjin 300130 China

责任编辑: 崔文静

收稿日期: 2015-12-6   网络出版日期: 2015-12-25

基金资助: 国家自然科学基金.  51207042
河北省自然科学基金.  E2013202133
河北省教育厅基金资助项目.  Q2012103

Editor: CUI Wen-jing

Received: 2015-12-6   Online: 2015-12-25

作者简介 About authors

张萍, 女 1979年生,副教授,硕士生导师,主要研究方向为大型电力变压器的暂态建模。

阎涛, 男 1990年生,硕士研究生,主要研究方向为大型电力变压器的暂态建模。

摘要

为提供励磁同步电机的设计依据,提出了基于有限元电磁场计算软件分析其电气性能的方法。首先选取具有代表性的凸极三相4极励磁同步电机作为研究对象,构建其3D模型,设置各部分材料属性,生成线圈及设定电机初始位置,然后采取重点区域加密的自适应网格剖分方法,2D暂态求解器求解,最后采取Matlab完成数据的后处理,分析驱动电源的频率与电机转速、铜损、铁损、涡流损耗及磁场能量分布的关系,为电机设计人员提供技术支持。

关键词: Magnet ; 同步电机 ; 有限元法 ; Matlab

Abstract

In order to provide design basis of the excitation synchronous motor, a new method based on finite element method (FEM) is proposed to analyze its electrical properties in this paper. First step is to select the representative excitation synchronous motor as studied object, to build a convex three- phase-four-polar 3D model, to set the material properties, to generate the corresponding coils and to set the initial position of the motor. Second step is to solve by the adaptive grid subdivision and 2D transient solver. Last step is to post-process data by Matlab to analyze the relationship between power frequency and motor speed, copper loss, iron loss, eddy current loss and magnetic field distribution, which provides the theoretic basic for motor designers.

Keywords: Magnet ; synchronous motor ; finite element method ; Matlab

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本文引用格式

张萍, 阎涛, 张宏伟, 李婷. Magnet在励磁同步电机设计中的应用 . 电气工程学报[J], 2015, 10(12): 38-43 doi:10.11985/2015.12.007

Zhang Ping. Application of Magnet in Design of Excitation Synchronous Motor. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(12): 38-43 doi:10.11985/2015.12.007

1 引言

同步电机具有体积小、损耗低且效率高等优点,在节约能源和保护环境日益受到重视的今天,更是以其卓越的性能,被广泛地应用于国民经济的各个领域。所以,对其进行深入研究就显得非常必要。

而今同步电机设计方法主要有两种:等效磁路法和电磁场分析法。传统的磁路方法计算繁琐,查表复杂,并且计算中需要引入多个系数对计算结果进行修正,导致其计算的准确度下降。文献[1,2]用磁路法建立了一种新型电机的空载等效电路模型,但所求参数仍和有限元分析有误差。

电磁场分析法,即对电机直接进行磁场分析,可以直接绘制出磁密分布、磁场能量分布彩色云图、电机转速波形、线圈电压电流波形以及损耗情况,非常直观地反映电机的各种性能[3,4,5,6]

Ansoft和Ansys是文献中常用的电磁场有限元软件,Ansoft只能计算静态电磁场,不能分析运动场,Ansys可以计算电机的运动过程,但是脚本编辑能力弱且入门所需时间长。

Magnet是首个低频电磁场有限元分析软件,具有2D/3D多自由度瞬态分析能力、支持2D/3D模型导入、支持新材料自定义、强大的脚本编程功能、局部网格细分和求解阶次自适应等功能,可以方便地分析电机、传感器和变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况与故障工况的特性[7,8,9]

综合比对三种常用的电磁场有限元软件,本文选用Magnet分析励磁同步电机的电气参数。计算主要有三步:前处理、求解和后处理分析。①前处理。依据选取的凸极三相4极励磁同步电机参数在Magnet中构建2D模型,拉伸至3D模型,设置各部件材料属性,然后生成线圈,设定电机初始位置和运动,进行自适应网格剖分;②求解。2D暂态求解器(Newton和CG迭代法);③后处理。依据Magnet计算所得数据导入Matlab绘制波形并对比数据分析。根据该电机模型在空载情况下的计算结果分析驱动电源的频率对电机转速、定子/转子铜损、铁损、涡流损耗及磁感应强度的影响,为励磁同步电机的设计提供理论依据。

2 模型建立

计算总体步骤如图1所示。

图1

图1   Magnet 计算步骤

Fig.1   Computed step of Magnet


2.1 电机参数

参考文献[10,11],本文选取具有代表性的凸极三相4极励磁同步电机作为研究对象,其尺寸及相关参数见表1

表1   电机尺寸及相关参数

Tab.1  Size of motor and related parameters

参 数数 值参 数数 值
额定电压/V220频率/Hz50
定子内径/cm3.9定子外径/cm6.4
定子极对数2定子槽数12
转子直径/cm7.4电机轴长/cm5
电机轴半径/cm1.5

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2.2 材料属性

根据表1的电机参数在Magnet中构建电机的2D模型,直线拉伸获取3D模型,如图2所示。定子、转子和电机轴的材料属性设定为T280:Transil 280,转子和转子线圈的材料属性为Copper:C10700。

图2

图2   电机2D/3D 模型

Fig.2   2D/3D model of motor


2.3 生成线圈及电源驱动

定子和转子生成的线圈数为100和1 000匝,之后对线圈励磁,因为是4极三相同步电机,定子通过加三相电形成旋转磁场(三相交流电即为A-X、B-Y、C-Z三相,A相超前于B相120°,B相超前于C相120°,为形成旋转磁场,设置A相电流由A端流入X端流出,B相电流由B端流入Y端流出,C相电流由Z端流入C端流出),图2所示的线圈模型可看到电流流向,转子加直流电,形成固定的磁极。定子线圈的电源驱动设置为220V/50Hz、相位差120°的交流电,转子线圈的电源设定为幅值220V直流电。驱动电路如图3所示。

图3

图3   驱动电路

Fig.3   Voltage circuit


2.4 电机运动设置

Motion指的是对电机所有运动部件(轴、转子和转子线圈)设定转动初速度、初角度和选择方向。本文将模型中的电机轴、转子和转子线圈的运动设置为:初速度为0,初角度为0,以原点为圆心,沿着Z轴方向旋转。

2.5 剖分及仿真参数设置

有限元计算的精度取决于剖分网格数量,但网格数量过多必然导致计算速度慢[9,12],本文采取自适应剖分,其重点区域采取加密剖分,其他区域普通剖分,图4是定子和转子加密剖分图。仿真起止时间为0~100ms,时间步长0.2ms,选择2D暂态求解器(Newton和CG迭代法)即可得到仿真结果。

图4

图4   自适应网格剖分

Fig.4   Self-meshed grid


3 仿真结果分析

为了分析驱动电源频率与电机转速、定子/转子线圈铜损、铁损及磁场分布的关系,本文选取5个频点:35/40/45/50/55Hz。仿真结果如图5~图8所示,其中单曲线是Magnet的计算结果,5条曲线的是将5个频点对应的计算结果导入Matlab后再处理用于对比分析。

3.1 频率f与磁场能量分布的关系

取4个时间点t = 20/40/60/80ms,分析电源频率f与电机磁场分布的关系以及不同频率所对应的磁感应强度最大值,见表2表3

Tab.2   Relationship between frequency and maximum of B at different time (单位:T)

f /Hzt /ms
20406080
354.2503.9343.9674.126
403.6493.7473.5863.802
453.2503.5273.6833.516
503.2043.4563.5323.394
553.0153.1533.4483.205

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表3   频率与磁场最大值Bm的对应关系

Tab.3  Relationship between frequency and maximum of Bm

f /Hz3540455055
B /T4.9914.6774.4944.4444.367

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一段载流I,长为L的直导线磁场分布符合

由于频率f越大电流i越小,而磁场强度B与电流的大小i成正比关系,所以电流i越小磁场强度B就越小,即随着频率f的增大磁场B应该越来越小。由表3可看出在同一时刻,磁场强度随频率增大而减小[13,14,15,16]

图5分别给出f = 35Hz,t = 20ms和t = 80ms时电机定转子内部的磁场强度分布云图。

图5

图5   f = 35Hz,t = 20ms和t = 80ms对应的能量分布云图

Fig.5   |B| shaded plot of 35Hz at t = 20ms and t = 80ms


3.2 频率f与电机转速n的关系

电源频率f与电机转速之间满足

式中,f为电源频率;p为极对数;n为转子转速。

图6可以看出,t = 0~15ms为电机起动过程,t = 16~100ms电机进入平稳过程,对比式(2),符合f与n成正比的结论。

图6

图6   频率与转速关系曲线

Fig.6   Relationship of frequency and speed


3.3 频率f与铜损的关系

铜损计算公式为

本文分别计算定子和转子的铜损,并分析频率f与其关系,仿真结果如图7图8所示。依据式3,铜损与电流的平方成正比,频率f越大电流I越小,所以铜损随频率f的增大而减小[13,14,15,16]。可以看出,随着电源频率f的增大,定子和转子的铜损都在逐渐减小。

图7

图7   频率与定子铜损的关系曲线

Fig.7   Relationship of frequency and copper loss of stator


图8

图8   频率与转子铜损的关系曲线

Fig.8   Relationship of frequency and copper loss of rotor


3.4 频率f与其他损耗的关系

铁损的计算公式为

式中,CFe为铁耗系数与硅钢片材料有关;G为硅钢片的重量。

涡流损耗的计算公式为

式中,CFt为涡流损耗系数,大小取决于电阻率ρ;d为材料厚度。

根据表1、式(3)和式(4),可以得到f与铁损和涡流损耗的对应关系,见表4。即随着频率增大,铁损和涡流损耗都增大, 涡流损耗增长的幅度较大。

表4   频率与其他损耗的对应关系

Tab.4  Relationship between frequency and other loss

f/Hz3540455055
Bm/T4.9914.6774.4944.4444.367
铁损/kW2.5332.6462.8473.1933.935
涡流损耗/kW30.5134.9940.9049.3765.04

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4 结论

本文用有限元软件Magnet完成励磁同步电机的电磁场计算,Matlab实现数据的后处理分析,讨论了电机重要电气性能参数——磁感应强度、转速、铜损、铁损及涡流损耗与驱动电源频率之间的关系。

通过研究,得出以下结论:

(1)频率f增大,磁感应强度B相应地减小,但其减小率低于f的增长率,则铁损和涡流损耗相应地增加,涡流损耗增长率较大。电机设计过程中,为尽可能减小涡流损耗和铁损,可以适当降低电源频率。

(2)频率f增大,电流相应地减小,则转子和定子的铜损相应地减小。

(3)频率f增大,转速相应地增加。如应用于对转速上限严格要求的场合,可适度降低频率。

本文以凸极三相4极励磁同步电机为例,说明Magnet有限元分析方法在电机设计中的应用,该方法同样适用于其他类型的电机。

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