用comsol®分析电动机和发电机设计

在这篇博客文章中，我们研究了在ComsolMultiphysics®软件和AC/DC模块中建模的12个插槽的10杆永久磁铁（PM）机器。该示例中的机器是旋转装置的代表性示例，外径为35 mm，轴向长度为80 mm。通过对输入条件进行轻微的修改，同一模型可以成为电动机或发电机。在即将发布的博客文章中，我们将详细介绍此处讨论的每个设计方面。

这是系列中的第一篇博客文章，讨论如何使用COMSOLMultiphysics®软件的建模和后处理能力来获取旋转机器的某些设计方面的见解。第2部分封面电动机的计算损失，温度和效率。

电动机和发电机设计：型号设置

在永久磁铁电动机中，转子的磁场与定子电流产生的磁场同步旋转。转子和定子磁场的相互作用产生的净扭矩使电动机能够将绕组的电流转换为机械功率。由于激发的同步性质，在永久磁铁电动机中，瞬时扭矩受转子角位置的强烈影响 - 因为位置与定子电流同步。在异步机中，定子绕组会诱导转子磁场作为转子和定子之间滞后的函数（因此其流行的名称，感应机）。

永久磁铁机型的示意图。

线圈激发将具有形式：i = i_m cos（\ kappa \ alpha + \ phi）， 在哪里我是是峰值电流，\ kappa是缩放因素，取决于极点的数量，\α是转子角，以及\ phi是相角。在此示例中，这三个阶段的激发由以下方式给出：i_a = i_m cos（\ kappa \ alpha），，，，i_b = i_m cos（\ kappa \ alpha - {120}^{\ circ}）， 和i_c = i_m cos（\ kappa \ alpha - {240}^{\ circ}）， 分别。

为了确保定子和转子杆之间的吸引力和排斥力产生单向扭矩，缩放系数\ kappa必须使从定子线圈的磁场反向时，当转子移动一个转子磁体的角跨度（磁体具有交替的极性）。它的价值由\ kappa = \ frac {{180}^{\ circ}}} {{360}^{\ circ}/n_p}， 在哪里N_P是转子杆的数量。分母给出单个转子杆的角跨度。

研究和优化磁场分布

这磁场分布是电机设计的非常重要的因素。在同步旋转机中，用于研究诱导电压的关键参数是气隙通量的空间分布（转子和定子之间的通量）。只有当径向磁通量沿着转子周围的正弦分布时，定子相电压才能是正弦的。该空间波形也称为气隙磁极（MMF）波。如果MMF波是非曲线的，则在诱导电压中引入高阶谐波。

在此模型中，为了获得气隙MMF波，我们评估了沿连续性边界的磁通量密度的径向分量。当转子旋转时，我们可以观察MMF波如何随着时间的流逝而演变。简而言之，我们可以理解，诱导的电压不会完全正弦。在即将到来的博客系列中，我们将解释如何获得气隙磁通量的空间和时间傅立叶变换，以及如何将它们与串联磁通和电压的谐波失真联系起来。

左：转子旋转的磁通量密度变化。右：随旋转旋转的气隙MMF波的进展。

研究和优化机械扭矩

有几种方法可以激发PM电机的特定插槽/杆组合的定子绕组。永久磁机模型的示意图中显示的模式（博客文章中的第一个数字）是一种可以驱动12个槽，10杆PM电动机的方式。需要调整定子线圈激发（或初始转子位置），以使最大扭矩施加到转子上。为此，给转子具有初始角位移。转子角度\α在一个转子磁体的角跨度上变化，并计算平均扭矩。选择对应于最大平均扭矩的初始角位移的值作为转子的初始位置。以这种方式，可视化定子和转子的相对位置会产生最大扭矩变得更容易。

在此处介绍的情况下，观察到了两个最大值：

1. 正向旋转方向旋转的正极最大值 - 一旦应用了适当的相序。
2. 负数最大，这将导致顺时针旋转（也在这里，在微调相序列之后）

下一节中给出的转子扭矩波形对应于平均转子扭矩曲线的正值。我们将更深入地研究扭矩检查和各种扭矩计算方法，例如Arkkio的方法和虚拟工作原则，在即将发布的博客文章中。

平均转子扭矩的变化，在两个转子杆的跨度上与初始转子角度的变化（2 \ times \ frac {{360}^{\ circ}}} {n_p} = {72}^{\ circ}）。

调查和优化铁的使用和损失

通过使用磁通密度图，我们可以研究铁芯中的通量密度分布。在几何学的某些部分中，轭可能会形成瓶颈，该瓶子可能会将磁通量密度将其推向B-H曲线的饱和区域。在其他情况下，它足够宽，可以引起低场强度的区域。当轭的某个部分始终显示出一个薄弱的场时，该部分的扭矩产生不足。当某个部分形成一致的瓶颈时，应扩大该部分。

在示例中，转子和定子中的铁厚度变化，并检查其对转子扭矩的影响。为了产生最大量的扭矩，初始转子角度设置为{20}^{\ circ}，从上一节中的平均扭矩曲线获得。从图和下面的扭矩曲线中可以看到，当铁厚度约为2 mm时，铁的利用率是最佳的：少于2 mm的扭矩会对扭矩产生负面影响，并且要增加不必要的材料- 因此；重量和成本- 到电动机。

铁厚度值的磁通量密度分布。左：1毫米。中心：2毫米。右：3毫米。

转子扭矩波形与铁厚度变化。

不过，这并不是整个故事：确定铁厚度时还有其他考虑因素，例如机械强度以及电阻和磁损耗。在研究通量密度和扭矩时，也可以评估铁厚度对铁损耗的影响。与Comsol Multiphysics版本5.6一样，有一个内置损失计算功能可以轻松评估使用铜损失和铁损失Steinmetz方程，贝托蒂公式或用户定义的损失模型。在即将发布的博客文章中，我们将进一步讨论旋转机器建模的多物理方面，例如效率计算，温度升高评估，振动分析和噪声检查。

铁损失分布的不同厚度值。左：1毫米。中心：2毫米。右：3毫米。

概括

我们已经讨论了Comsol多物理学和AC/DC模块提供的某些功能，以轻松了解旋转机器的一些设计方面。我们已经看到了气隙中径向磁通密度的线图如何向我们展示诱导的电压是否为正弦。使用comsol多物理，一个参数扫描可用于确定将产生最大转子扭矩的初始转子角度。机器中磁通量密度的表面图使您能够在视觉上确定铁的利用是否最适合有效的扭矩产生。使用Comsol多物理学提供的内置损失模型，也可以观察到铁厚度对铁损耗的影响。

该系列中的第一篇博客文章说明了如何使用Comsol多物理学的强大建模和后处理能力来获得对旋转机器设计的宝贵见解。接下来的博客文章将广泛讨论扭矩计算方法，效率计算，铁损失和热性能的分析以及运动振动和噪声检查。敬请关注！

自己尝试

尝试通过单击下面的按钮来对这里讨论的电动机进行建模：