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    CAE咨询 / Data Area

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    电机电磁设计与分析概述

    发布时间:2013-12-17

    浏览次数:

    • 1.电机设计的基本流程

      电机设计是一个电、磁、力、热等多学科耦合的优化过程,不同类型的电机有着不同的侧重点,但对于不同类型的电机设计均可采用如下流程进行设计:
       
      如上图所示,在整个电机设计过程中电磁设计、结构分析和通风散热分析是最重要的三部分。另外,根据使用工况还需要对电机做相应的震动、噪声和疲劳分析等。上述各种分析长期以来都是通过近似计算与经验系数修正来完成的。随着计算机辅助设计的不断发展和成熟,具有高分析精度的有限元技术在电机设计中的作用开始越来越明显。
      2.电磁设计与分析
      电机设计中有一种通俗的说法叫“三分电七分机械”,但是电机设计的核心却是这“三分电”。电机设计的首要任务就是根据电机性能指标和运行条件计算得到相应的电磁方案。一直以来电磁方案的设计都是以磁路法为主,如下图(左)所示。由于电磁场问题是一个典型的非线性问题,磁路法通常很难满足电机设计的精度,尤其是新型永磁电机的设计中,磁路法的精度完全不能满足实际要求。随着计算机技术的迅猛发展,越来越多的工程师开始使用电磁场有限元分析技术来校核磁路设计的方案。并进一步形成以电磁场有限元分析技术主导的电机设计和分析新方法(如右图所示)。
      Magneforce电机设计仿真软件由美国Magneforce Software Systems INC公司研制开发。Magneforce软件系统为了方便更多的电机的设计与开发工程师快速的设计开发出高性能的电机产品,公司开发团队把自己在几十年电机研究工作中的Know-How及先进的模拟仿真技术结合起来,开发出了Magneforce系列专业电机设计与电磁场分析软件。Magneforce系列软件除了包含了电机本身的设计经验之外,采用了基于时步法(Time-stepping)的有限元(FEA)和电路(SPICE)耦合分析,从而更准确地对电机的电磁场和控制系统的性能进行分析与评估。时步法是当今国际电工领域公认的计算电磁场的最佳方法,而耦合的有限元和电路分析,能够确保对电机的电磁场进行更精确和快速的计算分析。
      2.1 电机模型建立
      利用有限元技术通常需要繁琐的前后处理,而电机设计又是一个多种电磁和结构参数的联合调整和优化过程,需要建立大量的模型来分析优化。 
      参数化建模演示
      传统电机设计软件很难处理这对矛盾。通常都是先利用磁路法得到电机方案,再建立有限元模型进行电磁场分析。这样做既不能发挥有限元分析的优势,又会降低设计精度和效率。Magneforce基于模型库与参数化相结合的辅助建模方式,采用自适应网格技术,具有自动前后处理功能等特点,使得设计电机电磁方案的效率大幅提高。真正实现了将有限元技术和电机设计的完美结合。
      Magneforce模型库收录了各型电机的多种定转子类型,可以在电机设计中直接选取,同时支持用户自定义模型的导入。另外,Magneforce 材料库收录了多种工厂中常用的永磁材料和铁心材料,永磁材料M-H曲线涵盖了电机工作的多个温度点的剩磁和矫顽力温度修正系数。铁心材料的损耗曲线也涵盖了多个频率点的损耗特性。基于以上材料参数计算得到的电机方案将更加准确。
      2.2 控制系统的耦合
      电机设计时需要分析计算电机在空载,不同负载工况,故障工况等多种工况时的性能以验证方案是否满足设计要求。此外,对于新型永磁电机的设计,在电机本体设计时必须考虑控制方式以及控制系统对电机的影响,甚至控制体系对电机本体的设计起到决定性的作用。Magneforce软件中集成了丰富的控制电路模块,可以实现开关式和PWM调制时方波驱动系统,PWM调制式正弦波驱动系统,PWM调制式Bang-Ban
      电流控制系统。并且集成了丰富的闭环控制模块。
        
      控制系统搭建
      Magneforce中的BLDC模块可以实现以下多种电机控制方式的模拟:
      根据转子位置的电压开关式开环控制;
      根据转子位置的电压斩波式开环控制;
      根据转子位置的电压斩波式电枢电流(有效值或平均值)闭环控制;
      根据转子位置的电压斩波式母线电流(有效值或平均值)闭环控制;
      根据转子位置的电压斩波式电枢电流(有效值、平均值或瞬时值)限幅控制;
      根据转子位置的电压斩波式母线电流(有效值、平均值或瞬时值)限幅控制;
      根据转子位置的任意谐波注入电压PWM开环控制;
      根据转子位置的任意谐波注入电压PWM电枢电流(有效值或平均值)闭环控制;
      根据转子位置的任意谐波注入电压PWM母线电流(有效值或平均值)闭环控制;
      根据转子位置的任意谐波注入电压PWM电枢电流(有效值、平均值或瞬时值)限幅控制;
      根据转子位置的任意谐波注入电压PWM母线电流(有效值、平均值或瞬时值)限幅控制;
      根据转子位置的任意谐波注入电流滞环控制;
      根据时间的固定脉宽固定频率方波电压开环控制
      同时Magneforce可以与Mat lab/simulink实现用户自定义的控制方式。
      控制系统联合仿真
      2.3 计算结果的后处理
      磁路法软件往往可以输出丰富的计算结果,例如功率因数、效率、过载能力、电负荷、磁负荷、热负荷等等。这些都是电机设计人员判定方案的依据。电磁场有限元分析的后处理通常都需要工程师手动完成,这不仅增加了设计人员的负担,也降低了电机设计的效率。Magneforce软件集成了强大的后处理工具,可以输出和常规磁路法相媲美的各种集总参数,不仅如此,还能提供全部的场分布云图
      2.4 电机方案的优化
      特定的电机设计要求通常会对应多种不同的电机设计方案,这需要设计人员
      电机电磁方案优化
      对已完成的方案进行分析优化。Magneforce可以实现包括几何尺寸,材料选择,线规等等单参数或者多参数的批量电机方案的计算分析。帮助设计人员得到最佳的电机设计方案
       

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