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电磁仿真设计RMxprt-6p72s电励磁凸极同步电机分析案例

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作者 | 电机设计青年 仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

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导读:大家好,我是仿真秀专栏作者——电机设计青年,曾担任ANSYS低频电磁工程师一职,后入职电机企业,一直从事电机产品研发工作。研究的电机类型涉及电励磁同步电机、永磁同步电机、空心杯电机、轴向磁通电机等,应用行业涉及新能源汽车、航空、医疗器械等,精通软件且设计经验丰富。即日起,我决定把自己原创的《RMxprt电机设计70讲》视频教程分享给平台用户,详情见后文;希望能够对电机设计学习者有一定的帮助,并乐意与所有订阅用户一起交流,共同进步。

电励磁凸极同步电机即可作为电动机运行,也可作为发电机运行,其应用场合非常广泛。在定子铁芯上嵌放有三相电枢绕组,可使用扁导线也可使用圆导线,转子铁芯采用凸极结构,每个磁极上放置有励磁绕组,与内置式永磁同步电机不同,电励磁凸极同步电机的D轴磁路磁导率大于Q轴磁路磁导率,使得其D轴电感大于Q电感。本文采用RMxprt模块,详细说明其设计过程,如有不当欢迎批评指正。

一、主要参数

1、电机主要性能参数如表1.1所示;
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2、定子结构参数如表1.2所示;
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3、定子电枢绕组参数表1.3所示;

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4、转子结构参数表1.4所示;
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5、转子阻尼槽参数表1.5所示,也是设计为双鼠笼槽或半槽结构;

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6、转子励磁绕组参数表1.6所示;

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二、设计流程

对于大多电机类型,RMxprt有相同的设计流程,如图2.1所示;

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图2.1 设计流程树

 

 

1、Machine参数

  • 摩擦损耗、风阻损耗与电机转速的平方成正比,需要输入参考转速下的数值;

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图2.2 Machine参数

2、Stator参数

  • 参数Lamination Sectors为定子冲片的分瓣数,对于大型电机,一个定子冲片可由数瓣扇形的冲片组合而成;

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图2.3 Stator参数

  • 对于电枢槽型,软件支持自动设计和平行齿结构;

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图2.4 Stator Slot参数

  • 电枢绕组采用双层、全级式绕组形式;

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图2.5 Stator Winding参数1

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图2.6 Stator Winding参数2

3、Rotor参数

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图2.7 Rotor参数1

  • 凸极转子铁芯的拓扑结构如图2.8所示,可构成均匀气隙和非均匀气隙结构;

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图2.8 Rotor磁极拓扑结构

  • Second Air Gap:第二气隙长度(极身与转子轭之间的长度);

  • Pole Shoe Width:极靴宽度;

  • Pole Shoe Height:极靴高度;

  • Pole Body Width:极身宽度;

  • Pole Body Height:极身高度;

  • Pole Arc Offset:极弧中心与转子中心的偏心距;

  • Second Pole Arc:第二极弧,选择磁极表面是否包括半个磁极范围内的两段圆弧。当选择该项后,将增加Off2_x 和Off2_y两个选项;

  • Off2_x:第二极弧x方向的偏心坐标,只有当Second Pole Arc 被选择是可用;
  • Off2_y:第二极弧y方向的偏心坐标,只有当Second Pole Arc 被选择是可用;
  • Magnetic Press Board:选择压板是否是由磁性材料构成;
  • Press Board Thickness:压板厚度;

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图2.9 Rotor参数2

  • Shoe Insulation:极靴之下的绝缘材料厚度;
  • Pole Insulation:极身侧面的绝缘材料厚度;
  • Winding Clearance:绕组间隙;

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图2.10 励磁绕组示意图

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图2.11 Rotor参数3

  • 转子励磁绕组和阻尼绕组的拓扑结构图2.12所示;

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图2.12 转子励磁绕组和阻尼绕组拓扑结构

  • Winding Type:转子绕组型式;
  • Parallel Branches:转子绕组的并联支路数;
  • Conductors per Pole:每磁极导体数,输入0,RMxprt会自动设计;
  • Number of Strands:并绕根数,输入0,RMxprt会自动设计;
  • Wire Wrap:导线漆膜厚度,输入0后能从导线库中自动获得;
  • Interturn Insulation:绕组的匝间绝缘厚度。当选择绕组型式为Edgewise时可用;
  • Wire Size:电枢绕组的线径,0表示自动设计;
  • Axial Clearance:磁极绕组与磁极间的轴向间隙;
  • Limited Cross Width:绕组设计时的限制交叉宽度,输入0则为可用的最大值;
  • Limited Cross Height:绕组设计时的限制交叉高度,输入0则为可用的最大值;
  • Winding Fillet:绕组弯曲部分的倒角;

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图2.13 Rotor Winding参数

  • 转子阻尼端环采用类型3,用一个导电圆环把所有磁极下的导条都连接起来;

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图2.14 Rotor Damper参数

  • 参数Hs01决定阻尼槽是否为开口槽;

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图2.15 Rotor Damper Slot参数

4、Shaft参数

  • 采用非导磁轴;

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图2.16 Shaft参数

5、求解参数

  • Operation Type:在下拉菜单中选择运行方式:Motor or Generator;
  • Load Type:从下拉列表中选择负载类型;
  • Rated Apparent Power:对于发电机,为电机输出的电功率;
  • Rated Output Power:对于电动机,为电机转轴输出的机械功率;
  • Rated Voltage:电机线电压有效值;
  • Rated Speed:在电动机负载端的理想输出转速;
  • Operating Temperature:电机运行时的工作温度,工作温度会影响绕线的电阻,进而影响电阻损耗;

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图2.17 Setup参数1

三、输出数据

  • Solution Data中包含了电机的设计参数以及性能参数,也可查看电机的性能曲线;

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图3.1 Solution Data-Performance

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图3.2 Solution Data-Design Sheet

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图3.3 Solution Data-Curves

四、有限元电机模型

  • 一键有限元,自动完成以下操作:模型建立、材料赋予、运动设置、边界条件、电枢绕组分相及激励设置、励磁绕组激励设置、端环设置、网格设置、求解器设置、报告创建;

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图4.1 Maxwell 2D有限元电磁模型

五、RMxprt电机设计70讲

RMxprt作为专业的磁路法电机设计软件,计算时间为秒级,且内置了多种电机类型,易于上手且操作简单;软件有许多自动设计功能,如绕组自动设计、槽结构自动设计等;可以进行参数化分析、调优分析以及优化计算,便于多种设计方案的评估;软件的一键有限元功能可以生成Maxwell 2D/3D有限元电磁模型,自动完成诸如运动设置、边界设置、网格设置、激励设置、求解设置等前处理工作,且支持变量的传递,便于生成参数化电磁模型。RMxprt电机设计功能非常专业和强大,成为广大电磁设计工作者的手中利器!

自2021年12月起,笔者将在仿真秀官网和APP同步原创视频教程《RMxprt电机设计70讲》以下是课程安排:

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1、您将学到

  • 课程基本涵盖了RMxprt电机设计的全部内容,包括电机运行原理、绕组原理、各种定/转子铁芯类型的拓扑结构及参数含义、电路类型、圆/扁导线、自定义绕组/槽型、负载类型、参数分析、优化分析、调优分析、设计参数含义、设置输出变量、电机性能参数含义、创建2D/3D/等值线/堆叠报告、自定义设计表单、Maxwell模型向导、GRM模块电机组合类型等内容;

  • 大大提升学习者软件仿真能力,提高设计效率,缩短时间成本,集中精力和时间用于电机的创新设计上;

  • 课程结合AutoCAD和ANSYS SCDM软件,详细介绍电机定转子铁芯类型的拓扑结构,及相关几何参数的具体含义,设计更灵活,控制变量更清晰;

  • 第十三章更是构建二十一种具体的电机类型,讲解相关参数物理含义;

  • Maxwell模型向导,设计差异化电机结构,摆脱软件内置模板的限制,设计空间更大;

  • 赠送课程相关模型及资料,另外赠送答疑专栏服务和订阅用户群 交流,请联系平台任意仿真小助手 ,后续可围绕用户问题组织不定期的加餐。

 2、本课适合哪些人学习

  • 电机设计专业的在校本科生、研究生;

  • 新入职或转岗从事电机电磁设计的工程师;

  • 善于于学习、钻研不同电机类型的设计人员。

 3、讲师介绍
电机设计青年-现就职于某动力科技有限公司,所在团队为国内、海外知名品牌汽车公司提供驱动动力系统,驱动电机涵盖径向式/轴向式、内/外转子、轮毂/轮边式类型,冷却系统涵盖风冷、水冷、油冷方式,广泛应用于新能源汽车、航空、医疗器械等行业。
在多年工作中,积累了丰富的工作实践经验。熟练掌握ANSYS Maxwell/RMxprt等软件使用技巧,掌握航空起动发电机、新能源汽车驱动电机、工业伺服电机/空心杯电机的设计技术。在与国际业主技术交流、与竞争对手的同台竞技中,掌握了大量最新的第一手前沿资料,时刻保持设计理论精深、设计方法领先、设计手段先进的设计风格。
作者简介:电机设计青年  仿真秀专栏作者
声明:原创作品,首发仿真秀App,部分图片和内容源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。

 

 

 

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首次发布时间:2022-01-12
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