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扁线电机模型建立及分析案例概述

目录

TOC\o1-3\h\u30097扁线电机模型建立及分析案例概述 1

229041.1扁线电机有限元分析模型建立 1

250751.2扁线电机空载工况分析 3

242891.3扁线电机负载工况分析 9

1.1扁线电机有限元分析模型建立

本文所使用的扁线电机的额定功率为45kW，额定电压为380V，额定转速为4775rpm，依据性能指标和电机实际使用情况，并基于电机的基本参数，借助AutoCAD软件建立电机的计算模型，然后将模型导入Maxwell2D模块中，在导入的时候要注意电机的各部分分别导入，最后得到扁线电机的有限元分析模型，其基本参数如表2-1所示，图2-1为建立的扁线电机的二维有限元模型。

表2-1扁线电机基本参数

参数

数值

参数

数值

额定功率（kW）

45

电机槽数

48

额定电压（V）

380

电机极数

8

额定频率（Hz）

50

匝数

24

定子外径（mm）

220

并联支路数

2

定子内径（mm）

158

定子材料

M27_29G

气隙长度（mm）

1

转子材料

M27_29G

定子铁心转子铁心转轴

定子铁心

转子铁心

转轴

定子绕组永磁体

定子绕组

永磁体

图2-1扁线电机二维有限元模型

其中定转子材料M27_29G的BH曲线，如图2-2所示。B表示材料的磁通密度，H表示磁场强度。材料M27_29G的磁通密度随着磁场强度的增加而增加。

图2-2定转子材料BH曲线

在对电机进行有限元分析时，电机模型的网格剖分设置对分析结果的精度有着非常大的影响。一般来说，越密的网格剖分会让模型的计算结果的准确度越高，但同时也会大幅度增加电机的计算求解时间，降低求解效率。因此，在进行网格剖分设计时要使网格的疏密适中，既要兼顾计算结果的准确度，又要保证计算时间尽量短。图2-3为电机二维模型的网格剖分。

图2-3电机网格剖分

1.2扁线电机空载工况分析

在进行空载仿真计算之前，需要设置电机仿真时间步长、电机转速、电机的初始相位角等。在本次仿真中，扁线电机的额定转速为4775rpm，初始相位角为27.6，在计算分析之前最后一步是设置仿真时间步长，具体设置参数如表2-2所示。

表2-2仿真时间步长

参数

数值

时间步长值/s

0.0000698

所计算机械角度值/°

360

所需计算的总时间步数

181

总运算时间/s

0.01263

在仿真之后，从Maxwell可以得到电机的磁场分布情况、电机的损耗以及转矩等数据。其中，电机运行时产生的磁场分布情况可以分析所研究的电机的磁路设计以及永磁体分布是否合理，对扁线电机的有限元二维模型进行仿真，得到空载工况下扁线电机的磁力线分布图和和磁密云图，如图2-4、图2-5所示。

图2-4扁线电机磁力线分布图

由图2-4可以看出，在扁线电机的8对磁极中，每对磁极之间都有呈闭合状态的磁感线，轨迹由永磁体一端经气隙后再次回到永磁体另一端，磁力线基本都垂直通过气隙，整体上呈均匀规律分布，从总体上看扁线电机的磁场强度分布在定子和转子上呈规律变化，在图2-4中磁感线的颜色呈红色表示此处的磁场强度比较强，且在图中两对永磁体相邻的地方有的为蓝色而有的为红色，这是因为相邻两对永磁体的磁极的布置方向是相反的。

图2-5扁线电机磁密云图

在图2-5中，和磁力线分布图一样都是用颜色来表示，并且磁密云图和磁力线分布图颜色表示的数值大小是相似的，红色表示数值比较大，而蓝色表示数值比较小，图中在转子铁心与永磁体两端靠近的地方呈红色表示此处区域的磁密数值较高，同时表明此处的磁通较多。

通过对扁线电机的磁力线分布图和磁密云图分析可知，定子与转子之间的气隙是电机定转子之间完成能量转换的重要枢纽，因此研究电机的性能时有必要对电机气隙间的磁场强度进行分析，但在电机的仿真结果中，不易直接观察到气隙中的磁场分布情况，因此在气隙中部画一条气隙圆弧线来测量磁场强度，利用这条气隙圆弧线上的磁场强度对气隙磁场进行分析，并且在对电机气隙磁密进行分析时，一般比较注重其径向分量，利用Maxwell软件中的场计算器可以计算得到电机的径向气隙磁密，并可以通过傅里叶分解计算到基波和各次谐波的波形及幅值，如图2-6、图2-7所示。

从图2-6中可以看出，电机的径向气隙磁密接近于梯形波并非标准的正弦波形，而且在曲线中含有谐波。这是因为本文中的扁线电机定子齿部采用的是半开口槽，磁通在穿过定子齿部时，磁阻比起其他地方比较小，而在穿过定子槽部时，磁阻会变得比较大，因此在径向气隙磁密曲线图中出现了锯齿形状的波动。在Maxwell中对径向气隙磁密进行傅里叶分解可以得到谐波分布情况，如图2-7所示。

从图2-7中可以知道，本电机的径向气隙磁密存在偶次谐波，其中