Flux 在感应电机设计中的应用.docx

与中国汽车工程师共同成长Flux在感应电机设计中的应用Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长1、概述2、感应电机性能指标与基本尺寸3、使用Altair Flux进行感应电机仿真4、试验5、结论Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长一、概述感应电动机是一种将电能转换成机械能的交流电机，其运行转 速与所接电源频率之比不是恒值，所以感应电动机也称为异步电动机。感应电机由于其结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，在各行各业中具有大量的应用。在各种电气传动系统中，有90%左右采用感应电动机驱动，在电网总负载中，异步电动机占60%左右。在分析计算感应电动机运行性能时，最常用的是等效电路和 向量图方法。等效电路计算方法中， T形等效电路的计算精度 相对较高，但由于早期计算机不够普及，需要借助手算来完成 电机计算工作，因此实际中大多采用简化的T形等效电路，即把T形等效电路中的励磁支路移到电源端，形成L形等效电路。但这种L形等效电路的计算仍然非常复杂，故在实际运用中将 校正系数设置为1,构成简化的L形等效电路。这种简化应用于 中大型电机计算时可保证一定的准确度，也可见于目前常用的 感应电机快速计算程序之中。但对于小型电机计算应用，由于 定子绕组阻抗不能忽略，使用简化的L形等效电路会引起较大误差。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长向量图方法通过等效电路计算获得的定子绕组电压、电动势、 电流向量以及转子绕组的电动势、电流向量折算值等参数进行绘制，因此向量图精度依赖于等效电路参数的精度。随着计算技术的发展，在感应电动机的性能计算中也出现了很 多方法，其中以有限元方法应用最为普遍。为了保证感应电动 机计算的准确度，有必要使用有限元法对电动机的内部电磁场进行计算。Altair Flux是目前应用最广泛、使用最方便的电磁有限元分析 软件之一，其特有的交流稳态2D 磁 场 ( 2D Steady State AC Magnetic) 和斜槽(Skew) 模块具有针对感应电机分析的专 用功能，其精度也得到了全球广泛认可。 Flux除了可以进行电机电磁场分析，还可以进行热分析、电磁热耦合分析等。本文以某设备用22kw4 极感应电机为例，较为详细地说明了使 用Altair Flux软件对感应电机电磁场进行建模分析以及计算电机T-S 曲线的具体过程，并与样机测试结果对比。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长2.2电机基本尺寸见表2.感应电机性能指标与基本尺寸2.1电机性能要求见下表。功率因数COs中额定转矩Tn最大转矩倍 数Tm起动电流倍 数Ist起动转矩倍 数Tst0.81542.82.8Number of Stator Slots;36Outer Diameter of Stator(mm):250Inner Diameter of Stator(mm):160Stator Sloths0(mm):0.5hs12 (mm):16.8bs0(mm):3.8bsl(mm):6.7Rs(mm):9.4Number of Rotor Slots:44Air Gap(mm):0.5Outer Diameter of Rotor(mm):159Inner Diameter of Rotor(mm):60Rotor Slothr0(mm):0.5hr12 (mm):19.8B02 (mm):1brl(mm):4.8br2(mm):2Skew Width(Stator slot):1.4Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长3.使用AltairFlux进行感应电机仿真Flux在仿真感应电机中最大的优势即是其可以通过交流稳态 磁场对电机的T-S曲线进行准确的仿真。感应电机仿真过程从 计算T-S曲线开始，然后通过T-S曲线可以查找获得额定点、最 大转矩点、起动转矩点等需要的输入参数。 Flux软件仿真按照 标准的有限元处理流程，分为前处理、网格划分、物理属性设置、求解、和后处理。3.1前处理3.1.1模型建立Flux软件中电机模型建立主要通过以下几种途径：1)外部几何模型导入；2)使用overlay进行建模；3)使用Flux软件内嵌几何建模器；4)使用Python 命令流建模。其中最方便的是外部几何模型导入，但其不容易实现几何参数 化。其次是overlay,overlay 既可以参数化，建模速度也快， 但其模型只能在overlay内置模型的基础上进行建立，限制了 模型拓扑结构自定义能力。使用Flux软件内嵌几何建模器或者Python 命令都能够方便进行几何参数化建模。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长本文中感应电机采用转子斜槽，故需要使用FLUX 针对斜槽电 机的专用斜槽模块FluxSKEW。 斜槽模块以2D 模型为参考，采 用多层2D 模型的方式进行计算，并通过内部算法建立获得三 维模型进行结果计算处理，可以明显提高计算的准确性。本例的模型使用导入外部DXF 文件的方式建立模型。模型见下图：图3.1感应电机几何模型图3.1.2材料建立感应电机仿真所使用的材料主要包括定子冲片、转子冲片、鼠笼、端环材料，定子和转子铁芯材料通常使用相同的材料，本例鼠笼采用铸铝转子，其和端环采用相同的材料。Flux拥有强大的材料库，包含很多国内外的硅钢片型号。本 例使用的材料为50ww600, 仿真采用材料供应厂商提供的BH 曲线数据，在Flux软件中新建硅钢片材料属性BH 曲线。硅钢片磁化曲线数据见下表：Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长Growing Up with Vehicle Engineers磁感强度 BT00.396485 0.442882 0.497715 0.544112 0.594728 0.645343 0.695958 0.746573 0.797188 0.8478030.89420.949033 0.995431 1.046046 1.096661 1.143058 1.193673 1.244288 1.294903 1.349736 1.3961341.4551851.501582 1.547979 1.5985941.6534271.699824 1.7462211.792619磁场强度HA/m078.55875282.89091587.46197893.281298.42524103.852951109.579976115.62282121.998901130.116013137.291328148.00637159.557679173.86713191.504829210.93176237.371823275.869552327.569394401.689316531.024484789.9980151162.7195721674.9391062491.7844833667.4099585115.5941737290.5056629953.351291表3.1 BH 曲线数据与中国汽车工程师共同成长3.1.3网格划分Flux拥有非常强大的网格剖分系统，包括自动网格划分设置和 灵活的手动控制方法，通常使用默认设置便可得到高质量的网格，本例感应电机剖分网格数量及剖分质量如下：20:03:15 400 sec. 2316 lst order lineic elementscreated20:03:15 400 sec. Generating 2nd order elements isrunningTotal number of nodes - 3502320:03:15 400 sec. End generating 2nd order elementsSurface elements:Number of elements not evaluated :0 %Number of excellent quality elements:7.56 %Number of good quality elements :2.02 %Number of average quality elements :0.42 %Numberof poor quality elements :0 %meshDomain executed剖分后的模型如图所示：Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长图3.2网格剖分3.1.4电路建立感应电机的T-S曲线就是感应电机的一个实际的起动过程，感应电机在使用时直接接入三相电源，故在电路中建立三相电压源供电电路，绕组电阻等参数按照路算结果设定。感应电机仿真区别于其他类型电机的是其需要定义鼠笼参数。T形等效电路计算感应电机性能时通过转子折算求得鼠笼参数，但在Flux有限元仿真中需要分别指定两导条间的电阻和 电感。感应电机的起动性能对鼠笼两导条间的电感敏感性非 常强，如果想要得到非常精确的结果，必须使用3D 进行求解。 经过多台样机的验证， Flux帮助文档给出的端环计算方法的 准确性完全可以满足精度需求，本次采用Flux软件帮助文件中提供的方法计算鼠笼两导条间的电阻和电感。结果见下表：Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长slipLaRa0.015.9251E-092.9534E-060.15.9252E-092.9539E-060.25.9256E-092.9557E-060.35.9262E-092.9586E-060.45.9271E-092.9627E-060.55.9283E-092.9680E-060.65.9297E-092.9744E-060.75.9314E-092.9819E-060.85.9333E-092.9907E-060.95.9354E-093.0005E-0615.9378E-093.0116E-06表3.2转子两导条间电感La、 电阻Ra具体计算步骤参见Flux帮助文档FluxSkew TutorialTechnical InductionMotor.pdf 中的7.2.3。完成后的电路见下图：图3.3分析电路Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长园3.1.5机械属性设置在感应电机中，机械属性设置较为简单，只有一个定子和一个转子，定子机械类型设置为fixed; 转子类型设置为Rotationaround one axis,感应电机转差设置一个变量slip,这个变量即为转差率，求解也是通过扫描这个转差率来求解的。Edit Mechanical setSTATOR Edit Mechanical setROTOR XMechanical set name *ROTORCommentType of mechanical set-Rotation around one axisAxis KinematicsType of kinematicsMulti staticOptional value for slip(induction machine) SLIPMechanical set sub-system1MECHANICAL SYSTEM 1_ _园Mechanical set name*STATORCommentType of mechanical setFixedOK ApplyMechanical set sub-systemCancel ApplyCancelOKfO图3.4机械设置3.2求解Flux中内置了多种线性和非线性求解器，对于线性求解器， 一般不需要过多的设置，主要需要设置收敛准则及非线性求解器中牛顿拉普森松弛因子的算法。对于收敛准则，原则上是公差越小精度越高，但是过小的公差会造成更长的求解时间，所以这里按照默认设置。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长求解问题为转差率slip参数的扫描，这个slip的设置准则是：根据路算结果把额定点转差、最大转矩点转差、起动转矩点转差附近的点都需要设置的密一些，因为只有这几个点是有用的。本次计算具体设置如下：control:SLIP(ReferenceMulti-valuesParameter control List of resulting valuesInterval definitionLower limitHigher limitVariation methodStep valueClear last intervalIntervals tableLower limit Higher limit 0.01 0.10.450.45 0.60.6 0.81.0Step value Step value Step value Step value Step value-ParameterControl type0.002 0.050.010.05 0.01Step valuevalue:0.01)MethodValues1.0图3.5求解设置3.3后处理FLUX 拥有非常强大的后处理功能，几乎可以找到你需要的任何数据。本次求解主要需要获得转矩-转差曲线、功率因数-转差曲线、电流-转差曲线，磁密云图等。3.3.1转矩-转差曲线MS CURVEMechanical set /Magnetic torque ROTORGrowing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长Meanvalues:Rectified meanvalues:Rmsvalues:Integralvalues:Minimalvalues:Maximalvalues:429.2265429.2265441.4311424.934231.9660496.43493.3.2功率因数-转差曲线COSPHICOS PHIMeanvalues:Rectified meanvalues:Rmsvalues:Integralvalues:Minimalvalues:Maximalvalues:0.77390.77390.77660.76620.57440.89213.3.3电流-转差曲线CURRENTCircult / Current - ms value COILCONDUCTOR 1CruuL/Gne me vaueICQLCoNDUCTOR- 1I(A)1750E01500201250001000E0:7500E05000E0:2500E0=Raset 200B3Circuit /Current - ms value COILCONDUCTOR 2crwtiqurer-ms vaueICOLCoNDUCTOR Z(A)1750E011500E012S.0E0=100.0E0-7500E0-83000E02500E0-26006-3valueCOILCONDUCTOR 3Crout (Qre175.0E01150.0E0:12S.0E0100.0E0=73C0BO5000E0-2500E0-ResetReretCircuit /Current-rs* * -csut/Guent-ms yaue EOLCOnDUcToR n()sDacE- 7 0 压 3mm vahs EOLCONDUCT0R 21(A)rs vaue ICOLCONDUCTOR 3(A)POLDTOn)四D006700.06-9m wt200E)60006-3/Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长Rms values:UVW132.6877131.4738131.81743.3.4磁密云图Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长4.试验电机仿真的真正目的是为了模拟试验，通过在仿真阶段发现问题并解决问题，以提高样机试制的一次成功率。考虑到生产加 工及制造的不确定性，本次试制了三台同样的电机，最终以三台电机试验结果的平均值与仿真结果进行对比。试制完成后对电机进行了相关的试验，试验结果与仿真结果对比见下表：表4.1数据对比功率因数cos额定转矩In最大转矩倍数Tm起动电流倍数Ist起动转矩倍数Tst设计要求0.81542.82.8仿真值0.89154.3.125.413.14样机10.901543.225.273.22样机20.901543.195.243.19样机30.901543.205.353.27平均误差1.12%0.00%2.67%-2.28%2.76%从样机试验数据可以看出， Flux计算精度较高，误差在3%以内，完全可以满足实际需求，设计值满足试验值，完全可以取代试验来验证电机性能。Growing Up with Vehicle Engineers与中国汽车工程师共同成长5.结论(1)Flux 作为专业的电磁有限元分析软件，具有较强的前 后处理功能和较高的分析精度，并且易学、易用。(2)Flux 应用于感应电机设计非常方便，后处理功能强大， 结果与试验值接近，高效可靠。有助于降低产品研发成本， 缩短研发周期。(3)本文简要地对Flux应用于感应电机电磁计算的步骤和 精度进行了介绍，由于篇幅问题，并未过多介绍热仿真部分。 Flux在电磁-热耦合计算方面也有很多的应用，热分析结果同样保持相当的精确性。Growing Up with Vehicle Engineers