附加损耗算法.docx
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附加损耗算法
损耗的有限元计算
沈阳工业大学
国家稀土永磁电机工程技术研究中心
附加损耗的有限元计算
为了对附加损耗的有限元计算法进行阐述，本文以6kW电机为例，其参数如表1所示。
表1电机参数
电机参数
参数值
电机参数
参数值
额定功率/kW
6
铁心长度/mm
205
极数
8
气隙长度/mm
2
额定转速/r·min-1
1500
定子内径/mm
174
相数
3
定子外径/mm
104
定子槽数
36
铁心材料
35DW270
转子磁路结构
表面凸出式
永磁体牌号
N38UH
1附加铁耗计算
铁耗的计算采用二维有限元法，实际铁耗值受加工工艺的影响，本文计及冲剪加工的影响，然而定子齿、轭部的影响程度不一样，因此建模时将二者分开。
计算时采用的铁耗曲线为乘以齿、轭部铁耗修正系数后的曲线。
1.1有限元模型
为了缩短计算时间，本文采用单元电机模型，6kW电机的单元电机模型（即1/4模型）如图1所示。
图1铁耗计算模型
在定义材料属性时，应考虑温度对材料属性的影响。
特别是对绕组电导率和对永磁体性能的影响，计算单中给出的为20℃时永磁体性能，应参照式
（1）对不同温度下的永磁体性能进行折算后再定义永磁体属性。
永磁体的电导率为6.944×105S/m。
（1）
Motionsetup中初始位置角设定的原则为，为了将转子直轴与定子A相轴线重合，转子在0时刻所需旋转的机械角度。
1.2边界条件
对上述单元电机添加主从边界，由于该电机模型中有一对极，应采用正对称，也就是Bs=Bm。
ab
c
图2边界条件模型
1.3网格剖分
瞬态场网格剖分采用导入静态场自适应剖分法，并对相应计算的部分人为加密。
如图3，计算定子轭部铁耗，因此对轭部网格加密。
本文定子齿部和轭部剖分单元取2mm，转子取1mm。
图3剖分结果
1.4添加激励以及时间步长的选取
本次有限元计算过程中在变频器供电时采用的电流源激励来自于实验测试（ABB变频器），其波形如图4所示（试验值为3.3716A）。
运用Matlab软件对其进行谐波分析，得到图5所示结果，其畸变率KM=363.99%。
有限元计算过程中步长取为示波器采样时间，因此步长设置为2×10-5s，计算时间以铁耗稳定时间为准，取稳定后一个周期内的平均值为其铁耗值。
图4相电流试验波形
图5电流波形谐波分析
变频器供电时，导入A相电流波形（事先已将其保存为记事本.tab格式）时采用“pwl_periodic（a,time）”命令（由于变频器采用Id=0控制，因此A电流的基波从原点出发，B、C相依次滞后120°）；正弦波供电时，输入正弦函数“I*sin（2*pi*f*time+а）”，B、C相类似，如图6所示。
图6导入相电流
1.6铁心损耗设置
对需要计算铁耗的模块设置coreloss效应，磁滞、涡流损耗分开计算，其方法是修改材料，计算磁滞损耗时将涡流损耗系数Kc给0；计算涡流损耗时将磁滞损耗系数Kh给0。
损耗值取曲线稳定后段的平均值。
图7设置coreloss效应
图8设置磁滞损耗
需要注意的是附加铁耗为变频器供电与正弦波供电之差，为了计及冲剪加工工艺对铁耗的影响，需在原铁耗曲线的基础上分别乘以齿部、轭部铁耗修正系数，有限元计算时采用修正后的铁耗曲线。
2计算永磁体涡流损耗时有限元模型的建立
在计算永磁体涡流损耗时，为了计及永磁体的轴向涡流，需采用采用三维有限元法。
2.1有限元计算模型
由于该电机永磁体采用轴向分段错极结构，因此计算时采用1/8模型以缩短计算时间。
此外，由于周围金属结构件对其涡流损耗没有影响，计算时可以不予以考虑。
图91/8模型
2.2边界条件
由于此模型采用简化的1/8模型，因此，需要添加主从边界，具体方法参考1.2节。
唯一不同的是在永磁体表面添加绝缘边界用以保证模型求解时永磁体内感生的涡流只沿永磁体内部区域闭合。
在永磁体表面添加绝缘边界用以保证模型求解时永磁体内感生的涡流只沿永磁体内部区域闭合。
2.3网格剖分
由于三维模型网格数量和计算时间是成正比的，因此，应在保证求解质量的前提下尽量减少网格的数量。
采取的方法是对于求解涡流损耗效应的永磁体采用表面透入深度剖分方法对永磁体进行剖分，如图所示。
具体剖分设置步骤：
（1）计算透入深度：
按下图所示计算的为30次谐波的透入深度（基波频率为200Hz）。
（2）设置剖分层数：
按下图将计算得出的透入深度的情况下设置细剖层数与每层网格最小边长，最后取消网格个数限制。
a
b
c
图10剖分设置
（3）Maxwell3D网格之间的相互匹配非常复杂，很容易出现错误。
因此，如果使用上述剖分方式报错无法运行，可将永磁体整体的剖分网格最小边长设置为透入深度的1/2，但这么做计算时间也会相应增加。
2.4添加激励以及时间步长的选取
具体方法参考1.4节。
永磁体涡流损耗由于采Maxwell3D进行求解，求解时间相对Maxwell2D增加很多。
因此，无需规定求解的具体周期数，以永磁体涡流损耗曲线稳定为准。
永磁体涡流损耗值仍取稳定后损耗曲线的平均值。
2.5永磁体涡流损耗设置
对永磁体赋电导率并添加涡流效应。
图11设置涡流效应
3计算金属结构件涡流损耗时有限元模型的建立
金属结构件中的损耗主要有两个方面，一部分是永磁体端部漏磁引起的，另一部分是由绕组端部漏磁引起的，因此在模型建立的时候要考虑这两个方面建立完整的三维求解模型。
3.1有限元计算模型
由永磁体端部以及绕组端部漏磁在附近结构件中（本次计算包括前后端盖）产生的涡流损耗仅限于端部附近区域，因此，计算时只保留电机前端和后端，并不需要考虑铁心中间位置；另一方面，考虑到端盖的对称性，可以采用1/4计算模型。
图12结构件涡流损耗计算模型
3.2边界条件与时间步长的选取
本部分方法参考1.2与1.4节。
3.3网格剖分
结构件中涡流损耗计算时应考虑高次谐波的透入深度，若采用表面剖分，由于网格之间的相互匹配非常复杂，很容易出现错误，因此本次计算采用内剖分。
为了等效表面剖分，本次计算在建模时将端盖分为两层，内表面细剖，本文内表面取3mm，外表面取5mm，其他部位采用默认设置。
图13网格剖分
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