电磁场仿真分析

编写：校对：审核：批准：密级：名称：XX永磁同步电机仿真分析报告朴渡科技-1-内容提要：对18kW永磁进行电磁场、温度场和力学结构仿真分析。主题词永磁同步电机；更改栏更改单号更改日期更改人更改办法-2-目录1电机简介......................................................................................................-3-2主要分析项目..............................................................................................-4-3电磁场仿真分析..........................................................................................-5-3.1转动惯量计算..................................................................................-6-3.2工作点1性能仿真..........................................................................-6-3.3工作点2性能仿真..........................................................................-9-3.4工作点3性能仿真...............................................错误!未定义书签。3.5转矩-电流特性.....................................................错误!未定义书签。3.6反电势正弦畸变率分析................................................................-12-3.4电机磁密分析.................................................................................-14-3.5退磁校核........................................................................................-16-3.6齿槽转矩仿真................................................................................-16-3.7电感仿真........................................................................................-17--3-1电机简介18kW永磁同步电机由***公司提出。电机具体指标见下表1。表118kW_PMSM性能指标序号参数单位设计值1工作点1转速n1rpm8000转矩T1N·m17.91相电流IΦrmsA待定2工作点2转速n1rpm8000转矩T1N·m21.5相电流IΦrmsA待定3转动惯量Jm(电机转子、旋变、制动器)kg·mm²待定4额定工作电压VDC2705电机尺寸mmΦ158×160mm6电机质量G（不含控制器）kg≯15(暂定)7效率%≥808冲击电流A≤120电机工作环境温度为-55℃~+70℃，工作制S1（长期工作），如下表所示：表2电机工作情况转矩(N.m)转速(rpm)时间(min)17.918000长期连续21.58000≥20-4-2主要分析项目借助仿真设计平台，对JXX进行电磁场、温度场、力学结构的仿真分析。本次仿真所采用的软件件下表2。表3计算机软件设备软件名称生成厂家版本号AnsysMaxwell美国Ansys公司16.0具体分析分析内容见下表3。表418kW_PMSM仿真分析内容仿真项目分析内容电磁场仿真电磁转矩、转矩波动绕组铜耗、定子铁耗、转子涡流损耗、效率退磁校核、齿槽转矩、定转子各部分磁密-5-3电磁场仿真分析针对JXX电机的两个工作状态(性能指标见下表5)，对其进行电磁场有限元仿真。表5418kW_PMSM性能指标1额定工作点转速n1rpm8000转矩T1N·m17.912极限工作点转速n2rpm8000转矩T2N·m21.5首先建立电机的二维有限元全周期分析模型，如图1所示。图中黄、兰、绿分别表示A、B、C三相绕组，永磁体N、S极分别用红色、蓝色表示，转子护套用橙色表示。图1电机有限元分析模型对电机定子、转子、护套、永磁体、绕组、气隙进行剖分，其网格剖分效果如下图2所示。网格划分均匀，气隙处网格密度最大，满足瞬态场-6-有限元分析的要求。图2电机网格剖分效果电机正弦波驱动，采用Id=0控制方式。3.1转动惯量计算表6转动惯量精确计算磁钢护套转轴挡板转子轭旋变总和转动惯量1324.02834790849.9107110.9399744.64029003126.6转动惯量为3126kg.mm²，满足任务书要求。3.2额定工作点性能仿真电机在额定工作点性能仿真结果见下表7。电机在该工作点，定子铜耗为129.0674W，定子铁心损耗243.1106W，转子部分(包括转子轭、磁钢、转子护套)涡流损耗为185.6405W，电机的效率为95.5%。-7-表7额定工作点性能指标仿真转速(rpm)8000电流密度(A/㎜²)4.803转矩(N.m)17.91线负荷(A/mm)46.6854相电流(A)55热负荷(A²/mm³)224.231相电势max(V)127.5759铜耗(W)189.9688相电势rms(V)94.7294铁耗(W)176.9034线电势max(V)231.4032转子涡流损耗(W)103.9389线电势rms(V)163.5657电机效率96%KT(Nm/A)0.3256外加线电压max(V)237.97KE(V/krpm)28.9254转矩波动2.36%电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗和转子涡流损耗损耗曲线分别见图3至图6。图3转矩-时间曲线-8-图4相反电势波形图5线反电势波形-9-图6定子铁心损耗（红色）&转子涡流损耗（蓝色）曲线3.3极限工作点性能仿真电机在极限工作点性能仿真结果见下表8。电机在该工作点，定子铜耗为257.2272W，定子铁心损耗208.4185W，转子部分(包括转子轭、磁钢、转子护套)涡流损耗为118.7989W，电机的效率为95.6%。表8极限工作点性能指标仿真转速(rpm)8000线负荷(A/mm)54.3249负载转矩(N.m)21.4962热负荷(A²/mm³)303.621相电流(A)64铜耗(W)257.2272相电势max(V)137.6328铁耗(W)208.4185相电势rms(V)99.3111转子涡流损耗(W)118.7989线电势max(V)248.599其它损耗(W)150线电势rms(V)171.555电机效率96.1%KT(Nm/A)0.335878外加线电压max(V)250.73KE(V/krpm)31.07488转矩波动1.9%电流密度(A/㎜²)5.589电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗和转子涡流损耗损耗曲线分别见图7至图11。-10-图7电磁转矩-时间曲线图8相反电势波形-11-图9线反电势波形图10定子铁心损耗（红色）&转子涡流损耗（蓝色）曲线-12-图11额定工作点转矩-电流曲线3.4线反电势正弦畸变率分析电机在空载及2个负载点线电势FFT分解见下表。表9工作点5性能指标仿真谐波次数幅值(V)[8000rpm、空载]幅值(V)[8000rpm、17.91Nm]幅值(V)[8000rpm、21.95Nm]1232.1031232.2229243.641450.2275071.0384610.01186872.8115812.8575980.363297111.0477310.8507961.444807130.331150.6036730.49485170.01790.4324670.383308190.1621920.4950780.160419230.1331250.3624010.184248250.0258970.057680.16251291.6123240.7310393.222074311.5618090.8364983.369227350.0065170.0099330.117133正弦畸变率1.6263%1.5%2.05%-13-图12空载线电势FFT分析图138000rpm、17.91Nm线电势FFT分析-14-图148000rpm、21.5Nm线电势FFT分析3.4电机磁密分析电机在各工作点状态下磁密云图如下图所示。图15空载工作磁密云图-15-图13额定工作点（15kW）磁密云图图14极限工作点（18kW）磁密云图求解得到定、转子各部分磁密见下表6，定子冲片采用20WTG1500，电机在不同工作点各部分磁密幅值如下表所示，定子冲片接近饱和，已利用到极限。-16-表9电机各部分磁密定子轭磁密(T)定子齿磁密(T)转子轭磁密(T)空载工作点1.60081.59941.3867额定工作点(17.91Nm,8000rpm)1.63491.79281.3768极限工作点(21.5Nm,8000rpm)1.80921.79241.42223.5退磁校核求解得到永磁体表面去磁磁势曲线，如图19所示，取电机1.5倍最大工作点相电流96A时去磁磁势最大值为219.5139kA/m，小于永磁体XG28/20的内禀矫顽力。不会发生退磁。图15永磁体表面去磁磁势曲线3.6齿槽转矩仿真该电机直槽齿槽转矩峰峰值为17.4324mNm，可不斜槽。-17-图16齿槽转矩波形3.7电感仿真仿真电机在空载8000rpm，绕组自感和互感，如下图所示，图17绕组自感-18-图18绕组互感d、q轴电感Ld=Lq=0.1186+0.0327=0.1513mH，电气时间常数τ=L/R=0.1513/0.0209332=7.23ms。-19-附件：Ansoft电磁计算单ADJUSTABLE-SPEEDPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORDESIGN此处省略。。。。。。。