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弱磁型永磁电机三维磁场分布的仿真分析

2022/11/8    来源:Altair    作者:赵魁      
关键字:永磁电机  弱磁  三维有限元仿真  Flux  
本文提出的弱磁型永磁电机采用锥形的转子结构,可以通过转子的轴向位移来调整气隙磁通的大小,能够兼顾低速大转矩和宽恒功率区的运行性能要求,特别适合电动汽车的运行工况。
1 概述

       近年来,随着环境与能源危机的日益严峻,电动汽车得到各国政府的重视与政策支持。电机驱动系统作为电动汽车中的核心部件之一,与普通工业用电机驱动系统在设计和制造上存在较大的差别,如高功率密度、全工作区域的高效率、高性能(低速大转矩、宽恒功率区、高动态响应)、高环境适应性和低成本。由于永磁电机具有高功率密度、高效率等优点,成为电动汽车用电机的首选。但是永磁电机也具有磁场难以调节,弱磁扩速范围小等缺点。目前永磁电机的弱磁问题主要从控制策略和电机本体结构两方面着手,控制策略上最常用的方法是在定子绕组中施加直轴去磁电流,依靠电枢反应磁场削弱主磁场进行弱磁;电机本体结构上主要是采用特殊的结构方案,以达到方便调整气隙磁通的目的。本文提出的弱磁型永磁电机采用锥形的转子结构,可以通过转子的轴向位移来调整气隙磁通的大小,能够兼顾低速大转矩和宽恒功率区的运行性能要求,特别适合电动汽车的运行工况。

       本文采用Altair公司的Flux软件对弱磁型永磁电机模型进行仿真分析。Flux是一款针对电机、传感器变压器等电磁设备的专业的2D及3D电、磁、热分析软件。软件基于Maxwell微分方程组,以有限单元法为基础,对产品进行了电磁和电热优化设计,具有可靠、精确、高效的特点,能够提供精确的仿真结果,缩短研发周期。本文分析使用Flux12.3。

2 弱磁型永磁电机的结构特点

       本文提出的弱磁型永磁电机结构如图1所示,定子内腔和转子外圆呈圆锥形,转子部件由可分离型圆柱滚子轴承支撑,可以沿轴向小范围移动。如图1中的虚线所示,当转子的轴向位移Δz=0时,气隙长度最小(初始的气隙长度设计值),磁负荷最大,转矩输出能力与相近尺寸的圆柱形电机相接近;如图1中的实线所示,当Δz>0时,气隙长度δ增大,磁负荷减小,可以方便的实现弱磁扩速运行。

弱磁型永磁电机的结构示意图

图1 弱磁型永磁电机的结构示意图

       由电磁场基本原理可知,当定转子铁心的饱和层度不高时,气隙中的磁力线近似垂直的进入定子铁心表面。与常规的圆柱形电机不同,锥形气隙中的气隙磁密Bδ可以分解为径向分量Bδr和轴向分量Bδz。同时,当转子的轴向位移Δz>0时,转子伸出定子铁心端面,使得该类电机的磁场分布变得异常复杂,采用3D有限元分析是十分必要的。

3 基于Flux12.3的仿真模型

       3.1 基于Modeler Context的快速建模

       传统的圆柱形电机可以通过拉伸操作(Extrude)得到电机的三维模型,如图2a)所示。弱磁型永磁电机由于其结构的特殊性,无法简单的使用拉伸操作。传统的方法(Flux 11.2及之前的版本)是采用点-线-面-体的顺序建模,因此必须精确的计算出“两个端面”上所有几何点(Points)的坐标,手动建立几何点(Points)和线(Lines),再生成面(Faces)和体(volumes)。典型的弱磁型永磁电机模型共有184个点,317条线,如图2b)所示,手动建模的工作量很大。

       Flux从12.0开始引入Modeler Context,预先设置了一些常用的几何体(如正方体Block、圆柱体Cylinder、圆锥体Cone),提供Boolean操作(如Union、Intersection、Subtraction、Assembly等)来解决零部件之间的“干涉”与“交叉”的问题,大大提高了建模效率。

永磁电机的三维模型

图2 永磁电机的三维模型

       3.2 网格剖分

       Flux 12.3的剖分模块升级为“Mesh Gems”,替换了之前的“Flux mesher”,剖分质量和效率有很大的提升。以单个的定子槽为例,二者的剖分质量对比结果如图3所示。

MeshGems与Flux mesher的剖分质量对比

图3 MeshGems与Flux mesher的剖分质量对比

4 弱磁型永磁电机的三维磁场分布与电机性能仿真

       4.1 三维磁场的分布规律

       本文采用Altair公司的Flux软件对弱磁型永磁电机模型进行仿真分析,得到三维的磁场分布如图4所示,包括气隙磁密的径向分量Bδr和轴向分量Bδz。从图4a)中可以看出,当转子的轴向位移Δz=0时,气隙磁密的3D分布分布与常规的圆柱形电机相同,均为两端略有下降的平顶波,证明二者具有相同的低速大转矩输出能力;从图4a)c)e)中可以看出,当转子的轴向位移Δz增大时,气隙磁密径向分量的幅值减小,能够实现弱磁运行;从图4b)d)f)中可以看出,气隙磁密轴向分量的幅值较小,但转子伸出定子铁心端部时引起端部效应,使得3D磁场分布变的复杂,增加了电机设计和优化的难度。

弱磁型永磁电机的3D磁场分布图

图4 弱磁型永磁电机的3D磁场分布图

       4.2 空载反电势的仿真分析与实验测试

       为了验证理论与仿真分析的正确性,本研究设计制造了一台原型样机,并进行了相关的实验研究。空载反电势的理论计算、仿真分析与实验测试结果如图5所示,随着转子轴向位移的增大,气隙长度增大,反电势近似线性的下降,证明了弱磁型永磁电机从本体结构上实现弱磁的可行性。值得注意的是,采用有限元仿真的结果与实验值吻合的较好,说明了Flux软件计算的准确性和有效性。

空载反电势的理论计算、3D有限元仿真和实验测试值对比

图5 空载反电势的理论计算、3D有限元仿真和实验测试值对比

5 结论

       本文介绍了弱磁型永磁电机的结构特点和弱磁原理,采用Altair公司的低频电磁场仿真软件Flux对电机模型进行了仿真分析,并设计制造了一台原型样机。仿真结果和实验测试结果显示,弱磁型永磁电机具有与相近尺寸的圆柱形电机相同的低速大转矩输出能力,并且具有近似线性的弱磁能力,能够方便的实现宽范围的弱磁扩速运行,特别适合电动汽车的运行工况。仿真结果与实验测试值吻合的较好,说明Flux软件具有精确、高效的特点,能够显著的提高工作效率与优化设计精度。
责任编辑:程玥
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