Maxwell永磁电机仿真计算精讲

 

     永磁同步电机仿真计算一般采用电流源，主要关注相电流有效值Iprms和内功因数角γ对输出性能的影响，电动势相量图如下图所示。

图1 电动势相量图

      永磁同步电机作为电动机使用时，三相绕组的端电压不能超过电源电压，因此需要按照下式编辑出端电压的数学表达式。

      添加参数化求解器，将相电流Iprms和内功率因数角γ两个变量作为扫描变量，Iprms取值要覆盖额定电流和峰值电流，γ取值0°~90°，或至少覆盖最大转矩所对应的角度。

图2 参数化变量：相电流Iprms和内功率因数角γ

      图3为平均输出转矩随相电流Iprms和内功率因数角γ的变化曲线，在每条给定电流下的T-γ曲线中，都存在一个合适的γ值，使得输出平均转矩最大，这就是MPAT控制策略。

图3 avg(Torque) VS Iprms&Gamma

      电机输出功率的计算公式如下：注意的是，当绘制转速曲线时，其单位默认为rpm，但当转速作为变量应用于表达式中并参于计算时，其单位为rad/s。因此可以绘制出电机输出功率随Iprms和γ的变化曲线，如下图所示。

图4 Pout VS Iprms&Gamma

      同理，可以继续绘制出A相感应电压的全部曲线、A相感应电压基波幅值和前30次谐波含量随Iprms和γ的变化曲线，以及其他输出量的曲线。

图5 A相感应电压波形曲线

图6 A相感应基波幅值随Iprms和γ的变化曲线

图7 A相感应电压前30次谐波含量随Iprms和γ的变化曲线

      根据图3所示的T-Iprms-γ曲线，可知，当Iprms=35A，γ=20°，可得到额定转矩的输出。对于额定工况的仿真计算，将Iprms和γ赋予相应的值，并设置定转子铁芯损耗的计算，由于铁损曲线在一个电周期内没有收敛，因此将计算时间设置为两个电周期。

      图8为给定激励下的额定转矩曲线，其平均值为65.21Nm，转矩峰峰值为1.33Nm，转矩脉动为2.04%。

图8 额定转矩曲线

      电机三相绕组一般有Y接和△接两种解法，其线电压与相电压、线电流与相电流之间的计算关系如下所示。

图8 电压与电流关系

      线感应电压的波形曲线、FFT、各次谐波幅值曲线如下图所示，其有效值为344.9V，基波幅值为487.73V ，11次和13谐波占比较大，前30次谐波含量为1.68%。

图9 线感应电压波形曲线

图9 AB两相线感应电压FFT变换

图9 AB两相线感应电压各次谐波及THD30

       铁损曲线如下图所示，取第二个电周期内的平均值，总铁损为236.6W，其中定子铁损为224.7W，转子铁损为11.8W，主要铁损集中在定子中，磁力线被束缚在定转子铁芯及气隙中，进入到转轴的磁场极少。

图10 铁损曲线

  文章来源：电机设计青年