Maxwell高级电机培训教程:齿槽转矩

文摘   汽车   2024-10-29 17:24   上海  


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背景介绍

在永磁电机中,绕组不通电时,永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩称为齿槽转矩,齿槽转矩会使电机产生振动和噪声,出现转速波动,使电机不能平稳运行,影响电机的性能。因此在电机设计时,准确计算出齿槽转矩并且对其进行优化显得尤为重要。

概述

齿槽转矩评估是电机设计的第一步。在Maxwell中,主要有2种方法计算齿槽转矩。

第一种方法是通过一系列不同的静磁场分析,其中每一个算例都分析转子相对定子旋转到不同位置的转矩。我们使用Optimetrics下的参数化分析就可以很容易做到。

参数化的静磁场分析的优势是模型很容易设置,且软件可以自动加密网格,用户无需进行复杂的网格设置操作。

参数化的静磁场分析的劣势是每一步扫描都需要重新加密网格,需要较长仿真时间(需要配置Optimetrics+DSO)。

第二种方法是使用瞬态求解器,使转子以恒定转速(甚至非常慢)旋转,时间步长及转速应和Band的分段同步。

瞬态场求解器的优势是气隙处的网格一直相同且规律,有限元分析的数值计算误差达到最小。仿真速度最快,在使用HPC时更明显。

瞬态场求解器的劣势是模型设置起来相对复杂。尽管瞬态模型的建立有点复杂,但是通常情况下,电机都需要做进一步的分析计算,因此在瞬态场里面进行模型设置,可以看作是一个简单的预设置的必要步骤。

旋转运动设置

Maxwell中,软件允许用户将运动类型设置为平移、旋转或非圆柱旋转。所有的运动实体域与静止实体之间应物理(几何)隔离,且运动过程中不能重叠。所有运动实体应该被一个叫做Band的实体包围,Band将运动实体和静止实体几何分离开。

3D模型中,如果运动实体数量大于1,强烈建议用户层加第二个“容器”实体,用以封装移动实体。这个“容器”实体必须比Band小。它应该包含于Band,且不能有交叉的位置。Band中需要有足够的空间以供“容器”运动,这样“容器”在运动过程中就不会碰到Band

在软件中,运动(Slave)面与静止(Master)面之间的网格耦合采用非协调网格和分离技术。

运动(Slave)面与静止(Master)面之间的网格耦合技术

Maxwell瞬态场求解器中,软件不提供网格的自动细化。也就是说,用户必须在气隙中创建几个虚拟对象(分层)来控制网格中最重要的部分,也是电磁能量集中的地方。为了做到这一点,我们建议用户设置Band实体边界正好处于定子和转子边界的中间位置,也就是气隙的正中间。另外,用户需要再创建至少两个实体(可以把它们分别命名为Outer_BandInner_Band)。它们与Band相同,分别位于Band与定子边界的正中间和Band与转子边界的正中间。然后对这3个物体进行相同的网格设置,以控制空气隙中的网格,实现在需要的地方生成一个非常规则和密集的网格的目的。

气隙网格设置

用户需要注意的是,上图中展示的是气隙处分成4层的网格划分结果。

通过上述网格设置好后,用户可以进行网格生成,生成的网格如下图所示。

网格结果

然后提交计算,可分别查看磁力线结果及齿槽转矩计算结果。

磁力线结果

齿槽转矩结果

从上述齿槽转矩结果可以看出,齿槽转矩得到了精确的计算,齿槽转矩呈周期分布,且幅值对称。

4 总结

Maxwell中,有两种方法计算齿槽转矩。第一种方法是通过一系列不同的静磁场分析,其中每一个算例都分析转子相对定子旋转到不同位置的转矩;第二种方法是使用瞬态求解器,使转子以恒定转速(甚至非常慢)旋转,对气隙中的网格进行分层,并协调时间步长和圆周方向网格的分段数(在Maxwell 较新版本中用户可使用Clone meshband angle mapping功能)。通过在瞬态场中对网格的精细设置,可以得到较为精确的齿槽转矩结果,为用户评估电机齿槽转矩指标提供了参考。

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