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如何创建一个考虑PWM引起的交流损耗的IPM电机效率图案例?

发布日期: 2024-03-27 | 作者:产品中心

  在IPM电动机设计当中,经常会使用具有强磁力的稀土烧结永磁体,其产生的转矩除了由永磁体产生的永磁转矩之外,通常还会伴随由d轴电感和q轴电感之间的差而产生的磁阻转矩。因此IPM具有效率高、宽广的调速范围的特点,经常用于电动汽车等的牵引电机中。在实际应用中牵引电机的效率会随着转速和负载变化而变化,其在设计时就要建立考虑多工况点的效率图来分析其综合性能。

  创建效率图常用方法是通过计算电机电压方程和转矩方程来得到的,但是用这种方式不会计算到电机的PWM铁损以及线圈交流损耗等因素,因此使用这种方法可能会高估电机的性能。所以想要得到精确的仿真结果还需要仔细考虑PWM和交流损耗等;而考虑PWM和导体交流损耗在JMAG当中是能做到的。

  在本文档中,创建了一个考虑PWM引起的交流损耗的IPM电机效率图案例,并与不考虑交流损耗的电机效率图进行了比较。以此来分析交流损耗对电机效率图的影响。

  当不考虑交流损耗时,效率map图的计算方式是使用在直流电阻施加正弦电流的办法来进行计算,当考虑交流损耗时,效率map图的计算方式是提前确定每个工作点的电流矢量,进而驱动电机控制,然后计算每个工作点的电机转矩和损耗,最后绘制效率图。在使用JMAG仿真时,通过以下两种模式分别来绘制考虑和不考虑交流损耗的效率图:速度优先模式、精度有限模式。

  另外,由于精度优先模式需要仔细考虑每个点的交流损耗,所以其所设置内容及仿真所需时间都大幅度提升,JMAG针对这方面的加速仿线、JMAG可以在速度优先模式基础上一键生成精度优先效率图分析,如图2-1所示;其可以再一次进行选择是否更换为考虑涡流损耗原件、是否创建PWM电路、是否创建RT模型等;

  2、根据效率图分析研究(速度优先模式)的结果,建立了一维模型(JMAG-RT模型)。将JMAG-RT模型应用于效率图分析研究(精度优先模式)的

  ,可以实现更快地进入稳定状态,缩短运算时间。本案例研究与绘制的效率图与JMAG-RT模型的关系如图2-2所示。

  本文章的目的是对比考虑和不考虑交流损耗电机性能的差异。首先使用JMAG速度优先模式算出不考虑交流损耗的效率map图。之后根据速度优先模式结果建立了JMAG-RT模型以及精度优先仿真模型,再进行精度优先仿真分析,最后对比两者差异。

  响应表分辨率的精细度由以下两点确认:其一是绘制效率图是否考虑交流损耗,其二为是否创建1D电机模型。以下是本文章中速度优先模式中根据这两点的定义对响应表分辨率的设置:

  如前所述,在JMAG中精度优先效率图分析可以基于速度优先模式效率图来创建;创建方法如图2-1所示。

  精度优先模式分析要考虑在导体上施加交变磁场产生涡电流。而由于趋肤效应,在频率较高的情况下涡电流会向导体表面偏移。因此导体表面上网格的厚度(即集肤厚度)也是一定要考虑的因素;集肤厚度的估算见式4.7。

  δ:集肤深度,m f:频率,Hz μ:磁导率,H/m σ:电导率,S/m

  另外由于实际当中需要仔细考虑多工况频率,导体网格也要考虑每个频率的偏差;表现在JMAG有限元仿真当中即是使用集肤网格来捕捉,其方法即为根据基波的频率来确定集肤厚度,根据槽谐波的频率来确定网格划分数量。而根据式4.7可知,理论上转速500rpm时集肤厚度为11.275mm,转速为9000rpm时的集肤厚度为2.658mm;由于创建集肤网格来表示涡流时,其集肤厚度应为其厚度的两倍左右(两条边):即500rpm时集肤厚度为22.55毫米,9000rpm时集肤厚度为5.316毫米。而在本例中导体的宽度和高度分别为3.5mm、4.5mm,其小于计算涡流时的集肤厚度;因此本案例不考虑导体中的电流密度分布也可,为了确认和保证计算精度将导体网格尺寸设置为0.5毫米,约为导体短边的1/4即可。

  为了确保计算精度,需要在磁场会产生剧烈变化的区域(定子铁芯)进行更精细的网格划分。在本文章中,设置了定子铁芯网格尺寸1.5mm,为齿尖1/4左右。

  精度优先模式分析在速度优先分析后通过建立的控制电路来考虑PWM的影响;本文章采用的分析方法是开始时采用JAMG-RT模型计算瞬态,达到稳态后再进行有限元分析,此种方式快速缩短了分析时间。当从速度优先模式创建精度优先模式分析时,JMAG-RT模型的文件路径已经在宏组件内部自动设置好了;所生成的控制电路如图3-4所示。

  不考虑PWM交流损耗的效率图如图4-1所示,考虑PWM交流损耗的效率图如图4-2所示。对两者进行了比较,效率的差异图如图4-3所示,铜损的差异图如图4-4所示。

  从图4-3可分析出,低中速时,考虑交流损耗和不考虑交流损耗之间的差异约为1个点,高速时,差异为2-5个点甚至更大;当效率在90%以上时,在牵引电机中这种差异会影响计算精度。从图4-4可分析出,高速时,铜损存在很明显差异,由此可得出高速时铜损很大程度上取决于是否考虑了交流损耗。而同样的是否考虑交流损耗也是图4-3所示效率差异的主要原因。

  分解图4-4所示的低速低负载和高速低负载下的损耗分量,可得到如图4-4所示的磁滞损耗、涡流损耗、PWM涡流损耗、铜损的占比图,其中考虑交流损耗时定子铁心的涡流损耗频域分量如图4-6所示(PWM的载波频率为6000Hz);从图4-5和图4-6能得出:PWM谐波分量对低速低负载时涡流损耗的影响较大。(注:在不考虑交流损耗的分析中,PWM引起的铁耗是在后处理中获得的,与考虑交流损耗相比其分析结果差异较小。)

  图4-7显示了高速低负载下损耗分量,图4-8显示了考虑交流损耗时磁力线和电流密度的频率分量分布。从图4-7能够准确的看出,在高速低负荷时,PWM引起的涡流损耗影响不大,但在铜损耗中是否考虑交流损耗差异较大。从图4-7能够准确的看出,铜损耗的差异是因为由于槽内漏磁引起的涡流的差异。

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