基于JMAG软件的永磁电机仿真分析

作者:未知

  【摘  要】JMAG是一款功能齐全、应用广泛的电磁场分析软件,可以对不同领域的不同电机、电磁设备进行精确的电磁场分析,这里主要介绍JMAG软件对永磁电机的结构分析,并对其进行仿真校核,根据电机的振动、噪音等情况进行解析,电机仿真分析是电机设计与设计优化可靠的依据及基础。
  【关键词】JMAG软件;电机仿真
  近年来,钕铁硼永磁材料性能不断提高,价格随着性能提高确反而有所下降,永磁电机普遍运用于国防、医疗、家用电器、新能源汽车等领域,而其永磁材料绝大部分是钕铁硼,目前永磁电机往大功率化、轻量化、高速化、集成化等方向发展,是非常具有发展潜能的一种高功能设备,较于传统电机它兼具的优势是多方面的,比如①由磁钢直接产生气隙磁密,结构在一定程度上简化,运行更可靠、稳定;②转子损耗更低,电机可以达到尽量宽的高效率区间;③调速范围宽;④转动惯量小;⑤电机体积更小,具有更高的功率密度及转矩密度。
  一、JMAG软件
  JMAG软件来自日本总研(JRI)开发的一款电磁场分析软件且其功能非常齐全,在各国对其运用非常广泛。
  (一)JMAG软件优势
  1.操作界面非常人性化
  JMAG将前后处理和运算界面联结一块,在操作上变得更加方便、简单、易把握,用户在短时间内就可以进行电机基本性能的模拟培训,这样可以节省很多时间与人力资源;
  2.网格剖分方便
  JMAG软件可以根据用户的实质需求情况进而提供不同的网格剖分,得到高精度剖分;
  3.应用范围广
  JMAG软件可以对不同领域的不同电机、电磁设备进行精确的电磁场分析,为用户提供电机设计及设计优化帮助,缩短研发周期;
  4.建模快捷方便,材料库齐全,模型精确高
  无论任何复杂情况,JAMG能精确的创建与电磁场有相关的复杂模型,它具有巨大的各种不同材料数据库以及拥有一套完善的各类划分工具,JMAG软件还可以引入许多其它软件比如CAD、Solidworks、Pro/E、UG、CATIA等的模型。保证产品在进行分析时得到准确结果,那么完整以及精细的电机模型是相当重要的,模型的精确性如果越高,那么所得的结果包含在模型尺寸以及属性上的轻微差异的可能性就会越高;
  5.求解器众多,快捷方便
  JMAG软件具备各类电磁、温度以及仿真等众多的求解器,可以快捷、精确得出电磁场分析结果。
  (二)快速的求解器
  在进行模型仿真分析时,计算速度是用户的重点考虑因素。而在设计模型的流程中,有了快速的求解器作为前提,就可以在被限制的时间内,容许有更多的要素被商讨。同时,设计模型的流程中存在繁杂的参数,参数越多越有利,利用其作为条件,就可以商议更多的设计方案,有诸多的方案,代表有更多的选择,进而从中选择一个最佳牢靠的设计。而JMAG软件的快速求解器正是可以达到精确、可靠的设计要求,求解器速度的大小还影响着产品的精确性,同时,快速的求解器可以保证产品的高效性。可想而知,求解器的速度是与我们所获得产品的精确性与高效性是密不可分的。当今市场产品竞争激烈,打造高效的产品与提高产品質量才能寻求发展空间。当下,JMAG软件是运用最新的计算技术,所以得到了相对于其他求解器达不到的计算速度,其促使JMAG求解器能够完成复杂的尺寸与比较大型的3D模型的计算。另外,JMAG软件选用了更强大的、快速的、且稳定的迭代求解器,它是通过应用很多台计算机一同解决相对复杂的实际问题,进而节省了用户大量的计算时间。
  二、JMAG电机仿真流程
  1.创建几何模型
  在JMAG 软件中有很多种方法进行建模,主要有以下3中方法:
  ①在GeometryEditor上进行绘制;
  ②在JMAG-Express里建立相关参数进行建模;
  ③利用通CAD导入的方式进行建模。
  2.定义材料
  定义材料,即把对应材料的物理属性放在建好模型相应的位置,可以通过划分工具在JMAG材料数据库中直接选取,也可以自行新建材料,或在原材料基础上编辑输入不同的材料属性。
  3.定义条件
  定义条件以下面三个为主:
  ①电机运行模式;
  ②电机线圈电流方向;
  ③电机的边界条件。
  4.定义电路
  对电机电路连接形式以及电路限制方向进行设置。
  5.网格划分
  将已建好的模型进行网格剖分,有助于有限元的快速计算。
  6.分析计算
  利用计算机把建好的电机模型进行计算的一个过程。
  7.查看结果
  对计算机计算出电机的仿真参数进行检查和分析。
  根据本文所要探究的基于JMAG 软件的建模仿真内容,那么,选择电机参数就要根据下面几点。
  (一)极对数
  公式n=60f p,n代表电机的转速;p代表电机极对数;f代表电机工作频率;根据公式可以知道电机的转速n是由电机的极对数p以及电机工作频率f两者大小决定的,而频率越高,单位铁芯材料的铁损也越高,需要根据电机转速合理选择电机极对数以及相应的电机工作频率。
  (二)永磁体尺寸
  永磁电机由磁钢直接产生气隙磁密,永磁体尺寸对电机气隙磁密大小产生决定性的影响,具体永磁体尺寸要根据电机的具体性能条件情况而定,一般永磁体的厚度是电机气隙长度的5~10倍,永磁体宽度为电机极距的0.5~0.8倍。
  (三)永磁电机的极弧系数
  永磁电机的极弧宽度与极距两者的比值为极弧系数;极弧系数的大小是由永磁电机磁场的曲线分布情况而定,励磁磁势的曲线分布情况就决定了极弧系数的大小;在进行极弧系数的选择时应当让励磁磁势的波形接近于正弦波。   三、仿真分析
  (一)永磁电机的共振
  系统共振有很多频率点,而特征频率产生于一个维持其正常工作时呈现出最低与最高的点,就是通常说的截止频率。特征频率的每一个值都极有可能引起系统共振的频率点,这些频率点越多越不利,如果系统一旦出现共振的情况,那么整个系统将会发生结构形变,结构形变的覆盖面很大,从而导致所做的产品失效。其实,在进行振动分析的目的就是为了尽可能的避开出现的特征频率点。
  (二)永磁电机的振动和噪声
  JMAG 软件的仿真精度高,它能仿真出永磁电机里每一个部件的振动位移以及振动速度,还有振动加速度,同样也能仿真出产品里每一个区域声压级的分布情况。下面浅谈电机振动的缺陷或危害:
  1.振动需要消耗更多能量,进而导致电机的工作效率下降;
  2.发生振动时,它会对电机的轴承造成损伤,从而加大电机轴承的磨损速度,降低轴承的寿命周期;
  3.振动也对其他元器件或设备的运转产生损害的情况。
  (三)电机振动的产生主要有三个来源:
  1.电磁方面,主要是由电源、定子和转子故障所产生,因交变电磁力的作用下,引起电机的定子、转子之间产生振动。
  2.机械方面,主要是由电机本身以及联轴器配合所产生;
  3.机电混合方面,空气噪声,空气噪声有来自转动部件与空气发生摩擦而发出的噪音,机械噪声加上电磁噪声,这些都是产生振动且伴随噪音的来源。
  (四)减少噪声的策略
  1.合理选取定子槽型、转子永磁槽型,降低谐波分量;
  2.采用斜槽,定子斜槽或转子斜极;
  3.合理选用轴承、轴承油脂及轴承油隙;
  4.合理设计电机零部件公差及配合精度;
  5.提高转动部件动平衡精度及表面光洁度。
  四、结 论
  通过JMAG 软件的来源与仿真介绍,了解其作用以及分析电机的共振、电机振动与噪声的危害,然后进行刨根问底后,理解产生缘由并简单列出相应的对策,分析这些情况将对电机设计与设计优化有着重要的参考价值。
  参考文献:
  [1]冯垚径.永磁同步电动机设计关键技术与方法研究[D].华中科技大学,2012.
  [2]蒋丽萍.交流永磁電机的控制仿真研究[D].华中科技大学,2012.
  [3]李相盈.基于JMAG软件的永磁电机的结构分析[J].通信电源技术,2017(4).
  (作者单位:佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司)
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