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Ansoft Maxwell有限元瞬态场仿真绕组设计解密之初始位置角计算

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前言:

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要仿真电机实时瞬态的运行状态,需要进行一些初始设定,电机输入量、状态量的两个基本核心要素就是幅值和相位,比如绕组电流的相位和幅值,从电机电磁的角度,电流不仅仅是时间向量,还是空间向量:电机通电后形成的定子绕组磁势矢量,振动波形也需要一个启振初始相位,IPM调速永磁同步电机的电感参数,转子处于不同空间位置,就具有不同的数值,而且差异还很大。因此,对于永磁电机而言,为了能正确地对电机进行有限元实时瞬态仿真,必须确定电机定子绕组磁势激发的磁场和转子磁钢激发的转子磁场之间的空间相位,需要有一个确定的初始的定位,作为实时瞬态仿真的初始时间零点。对于电机定子绕组线圈导体空间分布而言,都是从第一象限X轴正方向开始有序均匀的分布槽空间以及槽内的绕组线圈导体,第一个槽的外层开始(如下图中槽1的A相线圈有效边正方向导体红A)逆时针布局绕组,同样的转子每一对磁极N和S也是从X轴的正方向开始逆时针旋转有序均匀的布置:

永磁电机将转子电机磁极轴线旋转、对齐电机定子绕组A相轴线时的空间位置,作为电机瞬态仿真的初始位置。不同的槽极配合形成的三相空间绕组分布,转子初始位置是有差异,要具体的计算。

在电磁设计实训的时候,大家练习了很多典型的槽极配合,比如12槽14极,24槽26极,30槽26极等等,除了按照磁势星型矢量图完成三相绕组的线圈导体的相带划分,并进一步对具体槽位置内的导体定义,然后计算出各相绕组的轴线位置。

电机仿真需要完成对激励源的幅值和相位的控制调整,使之匹配特定工况点比如额定点的仿真输出的需要。相位是一个很重要的因素,对电机输出转矩、功率因素等有决定性影响,既然相位这么重要,那仿真的时候,其基准位置如何准确计算就非常关键,我们以24槽26极A相绕组的理想空载反电势为例,把它过零点将进入波形正半波的那个位置作为有限元瞬态场仿真初始零时刻位置,如下图:

24槽26极空载反电势

理想空载反电势由转子旋转运行过程中,定子导体切割转子磁钢激发的磁力线产生,以A相为例,反电势的波形的相位,决定于转子磁钢激发的磁场远离A相绕组轴线的位置,当A相绕组正磁势矢量也就是A相正轴线和转子N极对齐的时候,反电势过零点,将进入正半波。这个特殊的位置就当成了整个仿真的基准参考位置,定义为转子初始位置下面以24槽26极为例,来介绍:

1、首先,画出磁势星型矢量图,把导体按照矢量图排好。

按照60度相带划分,整个圆周空间按照 A Z(C-) B X(A-) C Y(B-)排列,每个线圈的磁势方向就在该线圈捆绑围绕的定子齿轴线上,用下图示数字表示,按上图A相带的矢量包含1 3 14 16号线圈的矢量,对应下图Ansoft Maxwell的绕组导体排布:

2、导体的槽位置布局排布好,接下来如何找到A相绕组的轴线位置呢?

由下图观察,A相绕组正轴线用黑粗直线表示,显然该轴线不在任意一个线圈磁势位置既定子齿轴线上,由图可知,找到两个相邻的定子齿轴线(也是对应线圈的磁势轴线)位置,既从“线圈8”到“线圈9”刚好逆时针转动扇面涵盖A相绕组轴线,而且关于A相轴线对称,所以编号8和编号9齿组成的槽轴线位置,就是A相轴线的位置。

3、A相轴线找到后,我们将转子最临近的顺时针方向的那块N极磁钢,就是我们要对齐的转子N极轴线,这样做的目的就是:转子只需要转过最小的角度值就可以将转子N极轴线和A相轴线对齐。

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