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Maxwell 2D瞬态

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-06-08 21:14 点击数:

  Mallwell 2D 瞬态 静态场是指空间恒定磁场, 即磁场不随时间变化。 但实际中常常会碰到电压、 电流为非正弦激励情况,或者模型中的物体处于平动或转动状态的情况,磁场、 能量、力、功率损耗、速度等物理量是时间的 1 函数。在这种情况下,静态场对 求解与时间有关的物体过程无能为力,因此需要瞬态分析。 瞬态即是模拟电机的实际运动过程,利用 Mallwell 2D 瞬态可以得出电机在 反拖情况下的反电动势波形、电机的自启动过程、电机在负载运行的情况、以及 转矩波动等等。 Mallwell 2D 瞬态分析做以下假设: ① 如果有运动的话,Band(用于将静止物体和运动物体分开)外的物体不 运动; ② 模型中只能有一种运动方式,转动(永磁伺服电机)或平动(永磁直线 电机) ; ③ Band 内的物体,可以有多个指定为同一种运动。 一、永磁伺服电机 1.模型的建立 首先建立模型,这里以 4 极 18 槽表面式永磁伺服电机为例分析讲解, 。如果 有空载场的模型,我们可以直接复制其模型,或者从 AUTOCAD 图板直接引入 模型,并且选择瞬态作为解决的方法(如图 1) 。 图 1 解决方法的选择 1 模型中需要用一个圆(即 Band)把永磁电机静止物体和运动物体分开(如 图 2 中蓝色的部分) ,这时完成建模。 图 2 永磁伺服电机的模型 定义电机的材料属性和静态场一样,Band 可以定义为空气或者真空。 如果以上两步都设置正确,将显示如图 3。 图 3 设置完材料后主菜单的显示 2.空载反电动势的计算 2.1 绕组的分相 空载方电动势的计算是模拟电机在被反拖到额定转速时, 绕组开路感应出的 电压。这时需要在建模时应该建出绕组所占的空间,然后退出点击如图 4 所示的 位置,进入电机绕组分相界面。把电机槽内的绕组按照实际情况分相(A、B、C、 X、Y、Z) ,退出,然后定义属性为铜。 图 4 绕组分组窗口的路径 2 2.2 边界条件的设置 1)气球边界的设置 点击 Setup boundaries/sources,进入设置电机边界条件和源的界面,点击图标 ,然后点击鼠标左键选中边界,再点击鼠标右键,点击图标 图 5 所示的对话框,点击 Assign,气球边界设置完毕。 ,出现如下 图 5 气球边界的设置窗口 气球边界是模拟绘图空间以外的区域无限大, 可以有效地将模型与其他电压 源隔离。它指定的是区域的所有外边界。 2)狄里克莱(Value Boundary)边界 点击 Setup boundaries/sources,进入设置电机边界条件和源的界面,点击图 标 ,然后点击鼠标左键选中所要定义的边界,再点击鼠标右键,点击图标 ,出现对线。点击 Assign,狄里克莱边界设置完毕。 图 6 狄里克莱边界的设置窗口 狄里克莱边界可以指定边界处电势为常数值,也可以通过图下面的 options、 Funtions、 orientation 指定为随位置变化的数学函数。 我们在这里设置狄里克莱边 界为常数 0。 2.3 绕组匝数的设置 3 绕组的设置在同一界面下完成,点击图标 右键,点击图标 ,选中绕组 A、X,点击鼠标 ,出现对线 绕组设置窗口 点击 winding,进入一个对线,点击 OK,完成设置。其它两相设 置方法相同。 图 8 [winding]窗口 左边定义正方向,右上角的 Total turns as seen from terminal 是一相绕组的匝 数,Number of Parallel Branches 表示一相的并联支路数。 三相设置完成后,左边框内出现如图 9 所示的图象。这时关闭对话框并保存 设置。 图 9 绕组设置完毕 4 2.4 设置计算方法 2.4.1 对模型剖分 选择 Setup Solution 中的 options,对电机模型进行剖分,并且设置电机旋转 时间和步长。Mallwell 会对模型进行的剖分,我们也可以自己设置剖分网格的大 小。点击 Manual mesh,进入对线) 。 ,可以看到电机模型的剖分网格 图 10 Mallwell 自动剖分网格 点击图标 , 我们可以通过自己设置网格数, 对模型各个部分进行细剖, 如图 11。细剖后模型如图 12,保存退出, 图 11 细剖窗口 5 图 12 模型细剖后的网格 2.4.2 计算时间和步长的设置 电机旋转时间 stop time 根据需要的求参数而定,求解反电动势波形,一般转子 旋转 2~5 个电角度周期即可。步长 Time step 的设置则是要保证求解出的正弦波 形圆滑,但最少 50 个点,还要综合考虑转子转过一个齿距需要的时间,在这时 间内取 3~5 个点。如果是低速电机还要多取几个。 还有 Model depth 是指电机的铁心长,需要输入。默认是 1000mm。设置完 毕如图 13 所示。 图 13 求解设定窗口 2.4.3 设置运动体 选择 Setup Solution 中的 Motion Setup, 出现对话框, 选中 Band 点击 Set Band, 点击 Mechanical Setup,选择恒定转速,输入 3000r/min。如图 14。 6 图 14 运动体设置窗口 右下角 Inital Pos(图 15)可以方便的设置电机转子的位置,求反电动势不 需要专门设置,但是求电机负载运行时则要注意转子和定子的位置。 图 15 转子初始位置设置窗口 2.5 计算与后处理 以上都设置好后,点击 Solve 菜单中的 Nominal Problem 开始计算。计算过 程中可以点击 REFRESH 来随时看计算结果;如果出现错误,点击 ABORT 放弃 这次计算,检查错误;STOP 可以让计算中途停止(如图 16) 。 图 16 反电动势计算过程中 7 计算完毕后,后处理是很重要的。这里主要是分析反电动势波形,还可以看 出转子受到的齿槽力大小。 点击 Post Process 菜单中的 Fields,可以看到和静态场后处理相同的界面, 他们用法一样, 不过这时的模型, 转子已经是运动之后的状态。 点击 Post Process 菜单中的 Transient Date,进入瞬态场后处理界面, 图 17 [Trasient Date]窗口 双击想要分析的波形,如想分析反电动势 bkemf,双击就会调出反电动势波 形,如图 18。 图 18 求解后的反电动势波形 电机图标 , 就会出现数据处理对线) 里面含有丰富的数学函数, , 如:正弦、余弦、绝对值、积分、微分等等,可以对数据进行处理,如可以计算 每相电压的有效值、平均值等。基本可以满足我们的需求。 8 图 19 后处理计算器窗口 如有需要还可以取出反电动势的波形,选择 Plot 中的 Export Spreadsheet, 将 txt 文件保存到指定的文件甲下,可以作其他的处理,如:谐波分析等。 3.Id=0 控制时电机转矩波动 多数永磁伺服电机的控制方式是 Id=0 控制,这时定子产生的旋转磁场和转 子上永磁体建立的磁场正交,我们称这种情况为磁场定位。此时电流 I 和反电动 势 E 同相,因此每安培定子电流产生的转矩值最大,即获得最高的转矩/电流的 比值,电动机铜耗也最小。 3.1 绕组电流的定义 因为定子产生的磁场方向只与电流有关,所以定子绕组电流设置时,我们定 义为正弦电流源。这里我们假设电流为理想正弦电流,并且电机的两个磁场始终 正交。 在模型中,我们可以使转子的交轴和 A 相绕组的轴线重合,这也为以后的 设置带来方便。在 2.3 的步骤中,定义完绕组匝数和电流的方向后,保存退出, 点击 options,选择 Funtion,点击 OK 保存设置(如图 20) 。 9 图 20 [options]窗口 这时我们再点击 Functions,进入一个编辑函数的对话框,我们要在这设置 A、B、C 三相的电流,如图 21 所示。退出定义 A 相的电流为 Ia,点击 Assign, A 相设置完毕。B、C 相分别定义为 Ib、Ic。20.3616 是每相电流的峰值大小,频 率为 100Hz。 图 21 [Functions]窗口 注意:这里定义的定子旋转磁场方向为逆时针方向,这是由绕组的绕制方式和定 义的 Ia、Ib、Ic 两者所决定的。图 22 是模型的初始位置。 10 图 22 模型的初始位置 3.2 设置运动体 在定义电机转子的旋转方向时,默认正时为逆时针方向,负为顺时针方向。 这里定义 3000r/min,和旋转磁场的旋转方向一致。 图 23 电机初始位置的设置 如果转子现在的位置不是两个磁场正交,可以通过输入角度(Initial)来修 正转子的初始位置 (如图 23) 同样正为逆时针方向旋转, , 负为顺时针方向旋转。 3.3 计算和后处理 点击 Solve 菜单中的 Nominal Problem 开始计算。计算过程中可以点击 REFRESH 来随时看计算结果,如果出现错误,点击 ABORT 放弃这次计算,检 查错误。STOP 可以让计算中途停止。 如图就是得出的电机在 Id=0 控制时,电机的转矩大小。 11 图 24 电机的转矩脉动 从图 24 还可以看出电机的转矩脉动大小,利用后处理计算器还可以算出电 机的平均转矩。 二、永磁直线电机 永磁直线电机的 Mallwell 2D 瞬态分析和永磁伺服电机的分析过程基本相 同,只是在建立 Band 和设置运动体时有些不同。 1.建立模型 图 25 直线 是直线电机的一个模型,图中黑色的长方形框是将运动的物体和静止 的物体分开的 Band。这里的 Band 必须把运动体全部包括,而且还得包括直线电 机初级运动的区域。 2.空载反电动势的计算 电机的材料、绕组的匝数、电流的正方向和永磁伺服电机的设置相同,当点 击 Setup Solution 菜单中的 Motion Setup 进入运动体设置窗口,首先设定 Band, 然后选择 Translation(平移) ,在 Translation Limits/Positive 中输入允许电机初级 ,点击 Mechanical Setup,输入恒定速度 平移的最大距离(不能超出 Band) 500mm/sec,点击 OK,保存退出。 12 图 26 [Mechanical Setup]窗口 点击 Solve 菜单中的 Nominal Problem 开始计算。计算过程中可以点击 REFRESH 来随时看计算结果,如果出现错误,点击 ABORT 放弃这次计算,检 查错误。STOP 可以让计算中途停止。 最后得到的反电动势波形如图所示。 图 27 直线电机的反电动势波形 后处理窗口和功能与永磁伺服电机的相同。 3.额定推力的计算 同样是 Id=0 控制,找出交轴和 A 相绕组的轴线,移动初级或者次级使两轴 重合,然后和永磁伺服电机一样设置 A、B、C 三相对称电流。 点击 Solve 菜单中的 Nominal Problem 开始计算。计算过程中可以点击 REFRESH 来随时看计算结果,如果出现错误,点击 ABORT 放弃这次计算,检 查错误,STOP 可以让计算中途停止。 如图 28 就是得出的电机在 Id=0 控制时,电机的推力大小。 13 图 28 直线电机的推力波动 三、电压源的设置 1.绕组电压源的设置 以上两个例子都是施加的电流源,而对于高效永磁同步电机,一般是需要对 绕组施加电压源,在设置绕组的窗口图 7 中选择 Voltage 和 Strand,点击 winding 出现电压源的设置窗口(如图 29) 。 图 29 定义电压源的[windings]窗口 电流正负方向和绕组的匝数设置与前面讲的相同,右上角处,需要输入电机 的直流相电阻, 还有每相得端部漏感, 如果是 Y 接还必须选择 Y-connect with other windings,点击 OK 退出,给绕组施加的电压源设置完毕。 2.端环参数的设置 点击图标 ,选择端环的截面(全部选中) ,再点击右键,点击下图 30 的 14 菜单,出现图 31 所示的窗口,输入端环端部的电阻和漏感,点击 Assign,端环 参数设置完毕。 图 30 端环参数设置路径 图 31 端环端部参数设置窗口 3.转子参数的设置 如果是计算电机的自起动过程,在设置电机速度的窗口(如图 32)中,初 始速度设置为 0,还必须设置电机转子的转动惯量和阻尼系数,也可以在这里施 加负载。 图 32 [Mechnical Setup]窗口 计算可以得到电机起动过程中,转速、电流等的变化情况。图 33 为一个高 效永磁同步电机起动工程中转速的变化情况。 15 图 33 电机起动转速随时间的变化 16


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