关于maxwell中电机功率流的梳理

软件为Ansys Maxwell,所用模型为示例库中的ipm_1,测试方法为:

  1. 打开示例模型;
  2. 运行RMxprt仿真;
  3. 生成Maxwell2D模型;
  4. 运行2D模型(运行前可修改仿真时长和步长);
  5. 绘出希望查看的变量并分析。

1.功率梳理及问题

1.1 准备工作

在电路中添加电流表和电压表,便于观察:

在直流母线端添加了一个电流表Ibus,在三相输入端各添加了一个电压表Ua、Ub、Uc。

电机转速n=1800rpm,2对极,电周期1/(1800/60)/2=0.01666667s,故选择0.01666667~0.03333333s这段时间进行观察,这段时间中各变量已经基本稳定,且为一个整周期。

定子电流:

1.2 输出功率分析

转矩:均值T=3.23Nm

输出机械功率:Pout=Tn=3.23*1800/60*2*pi=608.84W。

同样输出功率也可以用各相电流与反电势乘积的和进行计算。

表达式为InducedVoltage(PhaseA)*Current(PhaseA)+InducedVoltage(PhaseB)*Current(PhaseB)+InducedVoltage(PhaseC)*Current(PhaseC)

得到平均值为607.3,与上面计算的机械输出功率一致。

1.3 损耗分析

铁损均值13.808,铜损均值26.539,总损耗均值Ploss=13.808+26.539=40.347W。

输入功率表达式NodeVoltage(IUa)*BranchCurrent(VIA)+NodeVoltage(IUb)*BranchCurrent(VIB)+NodeVoltage(IUc)*BranchCurrent(VIC)

均值Pin=688.46W

可以发现Pin=688.46≠Pout+Ploss=608.84+40.347=649.187。

注:BranchCurrent(VIA)其实与Current(PhaseA)相等。

2.问题定位与解决

其实输入电流和电机相电流相等,所以主要应当关注输入相电压和电流相反电势之间的差别。可以注意到这里有一个电阻,其值为2.605Ω。

在RM的Design Sheet中也可以看到这一项,这其实是电机的相电阻。

然而,这并不等于在2D模型中算出来的(实际是有效部分的)导体电阻。

在2D模型中导体长4.48mm,宽4.31mm,共27匝,电导率46000000(75℃),铁心长度65mm,电阻应计算为0.065/46000000/(4.48*4.31e-6/27)*12*4/3*27=0.8535869Ω。实际上,这是因为RM中考虑了绕组端部的长度和电阻,而2D模型中只考虑了槽内的导体,以至于它们相差了2.605/0.854=3.05倍。

在RM中可以看到半匝长度为133.875mm,比铁心长度65mm多了133.875-65=68.875mm,即一侧的端部长度。

实际上该电机属于长径比较小的类型,长度65mm,而外径120mm,绕组位置半径约44.5mm,绕组跨距5个槽(360°/24*5),按照伸出10mm计算,绕组端部(一侧)长度可估算如下:

 2*pi/24*5*44.5+10=68.25mm

因此,在Maxwell2D模型中不能考虑到绕组的端部损耗,应当注意该问题!

实际上,RM对于铜损和铁损的计算都不是特别准,但误差主要来源于此处。

3. 补充说明

实际上,母线电流Lbus均值为3.16A,直流电源电压110V,系统输入功率Pin1=3.16*110*2=695.2W,比Pin=688.46仍多出6.74W。

这部分损耗为开关器件的导通损耗,开关器件的导通压降为0.7V,按3.16A计算,损耗为3.16*0.7*3=6.636,基本相等。

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