简介

通过Motor-CAD软件可进行无刷永磁电机的运行性能、损耗以及热分布的计算。本教程将对该类电机电磁热互耦计算进行详细介绍。

定义模型

Motor-CAD软件中有BPM电机的电磁计算模块及热计算模块。两种模块既可以单独进行仿真计算，还可以实现电磁热间的互耦分析。 本教程中，首先使用电磁计算模块对样机的电磁性能进行分析。如下图所示，在菜单栏Model中选择电磁计算模块。

电机几何尺寸

软件中默认的电机几何模型如下图所示。

驱动定义

在驱动定义选项卡中，用户可以对电机的控制驱动系统进行定义。包含电机转速、电流、电压、以及连接方式等设置，并能设置电机的充磁方式以及斜槽。

可供选择的驱动类型有：纯正弦电流激烈、方波电压源激励以及自定义波形电流源激励。

BPM电机的驱动电源一般为逆变器，不同控制策略的逆变器对电机的性能也会有影响。Motor-CAD软件中提供了如下图所示的多种控制方式。

对于上述各种控制策略，其逆变器输出线电压的有效值与直流母线电压之比如下表：

对于本教程所分析的样机，其逆变器直流母线电压设置为500V。

下面在性能测试“performance test”选项中选择需要分析的项目。如下图所示，选取空载开路测试中的反电势及齿槽转矩、额定工况下的转矩转速曲线以及自感测试为计算项目。在9.2.5版本以后还增加了突然短路测试的内容。

对于该分析过程，样机内各部分温度的分布情况无法通过电磁计算模块求得。因此，需要假定各部分的温度如下：

定义绕组

本例中，Motor-CAD软件将根据每极每相槽数自动设置绕组类型。样机的绕组为双层绕组，每绕组匝数为40。

对于本例样机而言，每匝线圈的并绕根数为4。用户可通过编辑参数框中“Number strands in Hand”的值来进行设定。

更改导体间距“Conductors separation”为0.05mm，结果如下图右侧示意图栏所示。

材料

Motor-CAD软件内自带了电机生产行业 常用的材料。用户也可通过新建材料功能来添加其它所需材料。

注意：如果用户手中的材料库为老版本材料库，则需通过"Create new database"建立新的材料数据库并在保存时赋予其老版本材料库的库名 (例如 'solids.mdb')。

软件将弹出如下提醒对话框:

点击“Yes“确认之后，老版本材料库将自动升级为新版本材料库。

本例中，给样机选择软件默认材料库中的材料。

求解

点击图标'Solve E-Magnetic model' 进行样机的电磁计算:

Motor-CAD的电磁计算模块使用有限元分析法计算其电磁性能。 通过周期及对称性的设置使得求解耗时更短。有限元模型及其计算结果如下所示，可以通过左下角的“open”来选择不同工况下的计算结果。

结果分析

当求解结束之后，可在后处理结果中查看样机各类性能。

样机的转矩、电感、齿槽转矩等曲线如下图所示：

该样机不同电流超前角下的转矩/速度曲线如下图所示：

电机电流、端电压、反电势、转矩、齿槽转矩、磁链等的频谱信息也可由Harmonics里查看得到。下图为转矩的频谱信息，该样机的电磁转矩包含了6th 以及12th 谐波。

有限元的计算结果可以通过下图所示的按钮进行回放，并可通过左侧边栏中的选择框来查看电机磁密分布、电流密度等信息。

样机内铁心损耗及永磁体涡流损耗情况如下图所示：

“Output Data”输出表格中提供了电机性能及损耗的详细数据：

在20度温度下计算得到的电机各部分损耗如下表。

磁热互耦模型

前文中使用默认的温度值对样机电磁问题进行计算，并得到了电机各部分损耗。下面将以此作为热路计算的激励，通过磁热互耦计算得到电机温度及损耗的收敛值。

在“Model”菜单中选择热路计算模块：

在热路计算模块中，用户可对电机非电磁部件进行更改。例如机壳类型、通风道形式、冷却方式等等。本案例将采用其默认设置进行热路分析。

当热路模型设置完毕之后，选择E-Magnetic回到电磁计算模块。

求解电磁热互耦模型

在电磁热互耦设置中，选择最后一项”Iterate to converged solution”。

注意：为了提高求解书的，移除"Back EMF", "Cogging Torque", "Torque Speed Curve" 以及“Self and Mutual inductance” 的求解项目，只保留"Torque"。

点击图标'Solve E-Magnetic model' 进行求解，此时将弹出如下对话框：

点击OK按钮进行电磁热互耦的迭代计算 。这将使电磁计算模块得到的损耗导入到热路计算模块作为其激励源进行电机热路的分析；而由此计算得到的电机温度分布情况又可导入到电磁计算模块中以精确模拟不同温度下材料特性的变化，并从而得到此时电机性能及损耗的计算结果。

上述耦合计算过程将进行连续迭代，直至电机热路及损耗的计算结果达到收敛值。

如下图所示，本例中样机的收敛过程经历了3次迭代计算。该样机的绕组及永磁体的最终计算温度并不高，从而使得其电磁性能与初始温度方案计算值变化较小。

样机各部分温度计算结果可在“Control”选项卡中直接查得：

此时，样机各部分损耗可据该温度下材料特性计算得到：

永磁体剩磁随电机温度的变化情况如下所示：

更详细的电机热分布情况可由热路计算模块的计算结果查看得到。

点击“Input Data”选项卡中的“Losses”。绿色矩形框中圈出的项目为经电磁计算模块分析得到的样机各主要部分损耗值。

电机热路图中给出了样机热路模型中包含绕组、定转子铁心以及永磁体等部件在内的主要结构温度分布。

总结

本案例介绍了如何将Motor-CAD软件中的电磁计算模块以及热路计算模块结合起来分析电机性能的方法。通过对温度分布及损耗分析结果的迭代计算，实现了电磁及热路间的耦合分析。