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表贴式永磁同步电机铁耗计算仿真分析马思群;袁冰;辛志峰;孙彦彬【摘要】基于FLUX对某型号表贴式永磁同步电机铁耗进行仿真分析研究,根据电机的传统铁耗Bertott-ti计算模型,得出电机不同磁密的定子铁心损耗;在考虑旋转磁场影响的条件下,首先利用有限元法改进计算模型,通过对定子铁心仿真分析,得到不同区域特征点磁场分布情况及磁密变化曲线;然后将径向和切向磁密分量叠加得到损耗,计算结果与传统模型进行对比,铁耗增加比例为19.325%,与最新研究文献的研究结果相符.%Iron loss simulation analysis of a type of surface mounted permanent magnet synchronous motor (PMSM)is conducted based on FLUX,and the motor stator core loss is calculated at different flux densities. According to the conventional model Bertottti,the calculation model is improved by finite element method un-der the condition of considering the influence of the rotating magnetic field,and magnetic field distribution and the flux density curve are obtained from feature point of different regional through the simulation analysis of the stator core. Then the radial and tangential magnetic dense components are added to obtain the loss. Compared with the traditional model,the iron loss ratio is 19. 325%,which is consistent with the results of the latest re-search literature.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】5页(P65-69)【关键词】永磁同步电机;有限元法;铁心损耗;磁场分析【作者】马思群;袁冰;辛志峰;孙彦彬【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连 116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连 116028;天津电力机车有限公司,天津 300452;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连 116028【正文语种】中文永磁同步电机由于其高效率、启动转矩大、高速恒功率等一系列优点，已广泛运用于轨道交通车辆的牵引系统[1].定子铁心损耗为电机的主要损耗之一，铁损偏高会造成电机定子温度升高，尤其当应用于轨道交通车辆时，会严重影响其正常运行以及造成牵引系统效率低下等问题；正因如此，越来越多的学者开展电机铁耗研究.目前国内在研究电机铁耗时一般假设硅钢片内磁场分布均匀，通过正弦波电源下的B-P损耗曲线得出各损耗系数，利用经验公式近似计算铁耗[2].文献[3]指出电机在实际运行时，各区域磁密是分布不均的，比如影响电机铁耗最大的定子齿部、轭部的磁密大小在运行时是不同的，这就会导致局部磁滞损耗较大；而且，电机在运行时的磁矢量也是变化的，若采用分布均匀的磁场进行损耗计算，将产生较大的误差. 因此，如何获得准确的铁耗计算模型成为研究热点.目前，Bertotti铁耗分离模型是较为常用的计算模型[4]；在此基础上，有学者通过研究非正弦谐波磁场来改进计算模型，该模型基于研究交变磁化得到磁滞损耗[5].而事实上永磁同步电机在运行时，由于三相绕组中的交变电流不完全等价，还会引起旋转磁场的产生.本文通过对某型号表贴式永磁同步电机进行电磁仿真，重点分析在考虑旋转磁场作用时磁密不均匀对电机定子铁耗的影响机制，并在此基础上研究了电机不同区域磁密的波动轨迹，并与传统模型计算出的铁耗数据进行对比.Bertotti铁耗分离模型是根据铁耗产生的机理将铁耗分为三部分，分别为磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗[6]，其表达式为：其中：P为铁耗(W/m3)，kh为磁滞损耗系数，ke为异常损耗系数，f为磁场频率,Hz，σ为电导率,S/m，d为永磁体厚(m)，Bm为磁密峰值,T.由式(1)可知，铁耗求解的过程在于获得kh和ke.通常情况下根据硅钢片供应商提供的正弦波电源下的B-P损耗曲线，求得各项损耗系数，再根据经验公式来近似计算铁耗[2].表1是利用式(1)计算24槽8极表贴式永磁电机在B=1T、B=1.5T和B=2T时得出的各损耗分量值：该模型中的Bm为电机磁密峰值，而电机在实际运行时各区域的磁密、磁矢量是动态变化的；此外，通过一维正弦交变磁场得到的Bertotti铁耗计算公式与实际运行的二维非正弦旋转磁场有很大的不同，因此依据该模型进行计算误差较大，应将磁密分解成径向和切向分量叠加计算损耗[7].定子铁耗当属电机损耗中较复杂且重要的，其加工工艺、硅钢片材料及磁场频率等都是影响定子铁耗的重要因素，正确计算铁耗的前提是建立合理的计算模型.基于FLUX的LS磁滞模型通过将有限元计算结果中每个单元的B(t)值按实测的材料特性重新构建H(t)，并据此准确计算因材料磁滞效应而带来的损耗，因此该计算方法更加符合铁耗产生的基本机理.2.1 模型的建立及参数设置FLUX是一款针对电机、变压器等电磁设备的专业2D及3D电、磁、热分析软件，由全球领先的CAE软件制造商Magsoft研发，对产品进行电磁优化设计，具有可靠、易用、精确、高效的特点，能够提供精确仿真结果，降低产品成本，缩短研发周期.利用FLUX中Sketcher 2D模块建模.表2为该电机的基本参数.在FLUX仿真中，为了减小模型节点数、提高运算效率，通常只需建立一部分模型，并通过设定边界条件及周期的方法模拟整体有限元模型的性能，如图1(a)所示；然后将电机模型不同区域进行分类附属性和材料，如图1(b)所示；根据电机工作原理建立等效电路，如图1(c)所示，最后设置绕组和充磁，根据电流的方向设置充磁方向，并对设置完成的模型进行网格划分，有限元模型及充磁显示如图1(d)所示.2.2 特征点选取计算定子铁耗时需先对磁场进行仿真分析；定子铁心不同区域磁场分布不同，在获得整个定子铁耗时不可能将内部所有点进行计算.利用有限元基本思想可有效便捷的获得整个定子铁心的损耗，即：将定子铁心可近似为有限个相连的离散区域，选取每个不同区域内的特征点，依次对每个特征点进行磁场分析并求出铁耗，再将特征点所在区域的铁耗叠加[8].将定子铁心主要分为齿部、轭部、靴部和槽部四个区域，各区域结构和位置的差异导致磁场分布的不同，分析各区域的磁场规律，需要选取各区域磁密的特征点，特征点位于定子关键部位和交界处.特征点分布如图2所示，a点为定子靴部中点；b 点为定子绕组槽下靴部中点；c点为定子齿、轭部交界处；d点是定子齿部中点；e点是定子轭部中点[8].3.1 磁场的分析利用FLUX仿真软件对定子铁心的磁场进行仿真，得到特征点的磁密在两个周期内的变化曲线如图3所示.通过对得到的磁密波形分析可知：b、d、e 三点所在区域磁密波动较大， a、 c 两点所在区域磁密波动相对较小.经仿真计算，该型号电机的提前角为7.5°，由于FLUX中是通过设置转子与d轴的夹角来确定电流提前角的，因此d轴所在位置滞后转子7.5°，所以除e点外，其它所有点均与-7.5°轴对称(而非0°轴)，e点由于位于定子轭部中点，远离气隙，且受输入电流影响较小，因此关于0°轴对称；d 点在定子齿部磁密幅值最大，为 1.617T；a 点由于靠近气隙，受到谐波的影响，磁密波形有一定变形；同时也证明了定子各区域的磁密幅值是动态变化的，较Bertotti模型，有限元法模型更为准确,符合电机实际运行的状态.分析定子在工作时磁场分布情况，研究其产生磁密波动的原因，为铁耗的产生提供依据，通过对特征点磁密曲线峰值磁场分析，得出峰值磁密时定子磁场分布如图4所示.由计算结果可以发现，定子磁密波动受永磁体旋转影响，当转子转过角度为电流提前角的倍数时(电流提前角θ=7.5°)，磁场线发生改变，此时磁密幅值将产生拐点，因此电机在转子转过两个周期(-π/4～π/4)时，取±2θ 、±4θ、0°和45°六个角度进行磁场分析，发现电机在转子转动-30°时(与-15°相同，方向相反)，由于永磁体磁场方向的改变而在定子侧面产切向磁场，此时定子各区域的磁密值最小；-30°～-15°时，切向分量逐渐减小，定子各区域磁密将逐渐增大，当转子转至0°时(与45°相同，方向相反)，磁场方向全部为径向方向，因此磁密达到最大值，以上分析均与图3各图相符合，验证了仿真的准确性.3.2 铁耗的计算由于电机运行时三相绕组中的交变电流不完全等价，不但会在定子铁心中感应出交变磁场，还会产生旋转磁场.为了使铁耗的计算更加准确，进一步分析旋转磁场对定子铁耗的影响，需要对特征点磁场进行分解，得到切向分量Bx和径向分量By [9],仿真结果如图5所示(图5中虚线表示By分量，实线表示Bx分量).由仿真结果可知，正常磁密轨迹矢量波形会呈现近似椭圆的形状.比如在定子齿部(特征点b、d)，磁矢量的主方向是径向；在定子轭部(特征点e)，其主方向是切向；在齿部、轭部交界处(特征点c)，磁矢量包含径向、切向分量；其中b点受到旋转磁场作用最为强烈，其次是c点；而d点轨迹几乎为直线，变化较为规则，原因是定子齿部受交变电流产生的磁场的影响较大，且受气隙磁密影响较小.a、c和e点的磁密轨迹不规则，是由于受旋转磁场和交变磁场共同作用[10].a点位于定子靴部的中点，其轨迹近乎为平行四边形，是由于离气隙较近，受到气隙磁密波动的影响.由于磁密的分量随着时间的变化而变化，因此铁耗计算公式如下：式(2)中： Khi为第i个单元的磁滞损耗系数；Kci为第i个单元的涡流损耗系数；Kei为第i个单元的异常损耗系数；f为磁场频率；T为磁场周期；Bxi为第i个单元的切向分量；Byi为第i个单元的径向分量；提取特征点磁密的径向、切向分量幅值，带入式上式得到损耗分量值和定子总铁耗.由表3得：与Bertotti模型结果相比，旋转磁场作用时定子铁耗值增大了1.1517 W，增加比例为19.325%.由此可见旋转磁场作用对铁耗的影响不可忽略；通过此方法同时可以看出各类损耗所占定子铁耗总量的比例，涡流损耗、磁滞损耗仍旧占据了铁耗的大部分.本文通过将有限元模型与Bertotti铁耗分离模型对比，采用有限元法将旋转磁场作用时的铁耗进行分析，得出以下结论:(1)利用FLUX软件，直接可以得到结构中的任意一点的磁密，节省了仿真时间，提高了效率；(2)将波动的磁密进行分解，求得各个区域的铁耗，将求得的铁耗进行叠加可以得出总的定子铁耗；(3)引起磁密波动的原因是定子在工作时受旋转磁极的影响；(4)定子铁心各区域的磁密分量并非标准的正弦波形；除定子齿部外其他区域磁密轨迹受旋转磁场的影响较大，不可忽略.以上结论对于永磁电机的铁耗计算与磁场分析具有重要的参考价值；计算得到的数据可为电机效率和温升计算提供依据.【相关文献】[1]徐强．永磁同步电机在轨道交通牵引系统中的应用及特点[J].科技信息,2013,(2):378-379.[2]崔杨,胡虔生.硅钢片损耗的分析与计算[C].宁波：小功率电机学术交流会,2006.[3]张涵,谢宝昌,张舟云,等.车用永磁同步电机铁耗的快速计算方法[J].电机与控制应用,2013 (12):9-14.[4]张继鹏,苏锦智,付荣华,等.高速交流永磁发电机定子铁心损耗计算[J].微电机,2014 (11):10-14.[5]BOGLIETTI A,CAVAGNINO A,IONELD M A. General Model to Predict the Iron Lossesin PWM Inverter-Fed Induction Motors[J].Industry Applicatios,IEEE Transactionson,2010,46(5):1882-90.[6]刘光伟,赵新刚,张凤阁,等.高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算[J].电工技术学报,2015,2:148-154.[7]GUOQING Y,ZONGZE C,LIWEI S.Analysis of iron losses in induction motor with an improved iron-loss model[C].proceedings of the TransportationElectrificationAsia-Pacific (ITECAsia-Pacific), 2014 IEEE Conference and Expo.[8]尹惠．永磁同步电机损耗计算及温度场分析[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.[9]左曙光林福吴旭东. 车用永磁同步电机转矩解析模型和波动特性分析[J].浙江大学学报(工学版),2015(9) :1731-1737.[10]张洪亮. 永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.。
基于数字化虚拟电机硬件在环实时仿真测试黄苏融;朱培骏;高瑾;姜淑影;黄艳【摘要】提出了一种基于数字化虚拟电机闭环控制的半实物仿真测试平台.为了更精确地模拟内置式永磁同步电机( IPMSM)宽调速、高转矩的运行特性,基于现场可编程门阵列(FPGA),构建一种考虑电感饱和效应的IPMSM硬件在环(HIL)数字化电机仿真平台.利用有限元计算及Verilog语言编程,建立IPMSM及逆变器模型,整个系统的仿真步长为1μs,逼近真实工况.控制器方面使用与Simulink无缝连接的快速控制原型,对数字化电机采用传统的最大转矩电流比(MTPA)与弱磁控制相结合的控制策略.得到了数字化电机闭环控制的试验波形,讨论了电感饱和效应对传统定参数模型控制效果的影响,体现了这种半实物仿真测试平台作为一种测试控制器算法的可行性和优越性.%A semi-physical simulation platform on a closed-loop control of digital motor drives was presented. In order to reach an accurate simulation of 1PMSM operating characteristics of wide-speed, high torque, a field programmable gate array(FPGA) was used to build an IPMSM model considering the inductor saturation effects, which is a hardware in the loop digital motor drive simulation platform. Finite element analysis( FEA) and Verilog are used to model the IPMSM and inverter, the system simulation step is 1 μ,s so that it can close to the real condition. A rapid control prototype ( RCP) , which is seamless connected to MATLAB/Simulink, was used as a controller, with the strategies of maximum torque current ratio ( MTPA) combined with flux-weakening. The test result of the digital motor was obtained. By comparison, the inductance saturation effects were showed under control strategies based on traditional fixed-parametermodel, which proved the effectiveness and feasibility of the HIL semi-physical simulation system as an equipment to test the controller algorithm.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2012(039)007【总页数】6页(P20-25)【关键词】数字化电机;半实物仿真;硬件在环;饱和效应【作者】黄苏融;朱培骏;高瑾;姜淑影;黄艳【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TM3020 引言如今，在电力传动领域，工程师往往在设计初期，使用一种简化的模型模拟控制对象(电机平台)，以集中精力在算法设计本身。
Flux pdf整理第二章创建电机参数1 电机的模型2 定义参数A参数属性B参数和计量单位3定义一个参数：NPOLESA打开新的参数对话动机框A1使用工具中的图A2使用工标B输入的数npoles参数4 定义电动机的剩余参数5 保存你的文件A使用工具上的图标B使用菜单栏内容创建电机参数一．电机的模型电机是直流无刷永磁电动机,有4杆,3阶段,24槽和一个表面径向安装磁铁。
由于电机的周期的研究,模型只是1/4的电动机(1杆),6定子槽和一个北磁极。
下面的图是一个图的模型：模型1直流无刷电动机的磁极下面的图显示了一些参数对模型的位置。
几何参数用于构建模型本教程向您展示了如何构造几何和单极电机创建网格模型。
二．定义参数参数用于表示发电机几何结构的各种尺寸。
有几个理由使用参数。
首先,参数方便修改几何结构。
同时,确定尺寸和参数使得更容易修改。
例如,进入空气隙的宽度作为参数意味着你可以改变空气隙的大小,仅仅几秒钟,整个Preflux 9.1将自动更新模型。
如果没有空隙参数,改变空气隙的宽度需要重新定义空气隙中的每一个点的坐标,重新划定每相邻的线,等等。
参数也允许您用坐标系修改一个几何图形的规模。
在这个问题中,我们使用两组参数,设计参数和工作参数。
例如,设计参数定子的外直径、定子槽深度,磁铁的长度。
为设计参数,我们在SPEED软件中使用相同的名称。
定义工作参数是为了简化表达式用常数表示。
例如,我们使用工作参数定义槽之间的深度, SLTPITCH = 360 / NSLOTS。
1 参数的属性参数定义有三个属性：A 名称B 评论（一个可选的简单描述）C 代数表达式（或公式）值。
参数名称可能到12个字符长,但必须以字母开头。
我们建议你使用短,容易记得单词或缩写参数名称。
评论简述参数代表什么,可能到80个字符长。
(注释是可选的,但他们可能是有益的,当别人指的是你的工作。
)以下是有效的代数表达式:a.一个常数。
b。
算术运算符(+、-、*、/ * *)c。
异步电机FOC控制仿真模型说明一、整体结构及功能介绍用MA TLAB2013以上版本打开文件，看到如图所示界面：可以看到仿真最外层由四个模块组成，电源模块（红色方框），电机与控制模块（蓝色方框），控制信号给定模块（黄色方框），信号分路与显示模块（绿色方框）。
其系统原理框图如下：最上层原理框图1.电源模块提供三相正弦交流电，幅值、频率、相位可调。
2.控制信号给定模块可以设置电机的给定速度与负载转矩大小。
3.按转子磁链定向的电机及其控制模块此模块是仿真的主体，实现对异步电机主体的转子磁链定向控制。
4.信号分路与显示模块通过demux模块将复合信号进行拆分，得到想要观测的目标信号，并通过示波器进行显示。
二、Field-Oriented Control Induction Motor Drive模块的详细说明右键点击Field-Oriented Control Induction Motor Drive模块，按下图操作可看到此模块内部的具体结构。
其内部封装及模块功能说明如下：转子磁链定向的实现不控整流带制动的斩波环节逆变环节测量以及异步电机模型1、不控整流将三相交流电源作为输入，通过此环节实现AC-DC的转换，得到直流电压。
2、带有制动的斩波控制环节此环节可以对获得的DC电压进行变换，通过斩波调制的方式得到可调的直流电压，是一个DC-DC的转换环节。
此外因为前路的AC-DC环节是使用的不控整流，为了解决可能会有的泵升效应，此环节带有制动功能，将电机的馈入能量通过制动电阻进行消耗。
3、逆变环节此环节实现DC-AC的变换，其输入的门极信号由FOC模块的输出提供，由此得到三相电压对异步电机进行驱动。
4、转速调节环节实现电机对给定转速的追踪，并作为控制外环，将输出作为转矩的给定信号送入转子磁链定向控制模块。
双击此模块，具体结构如下：其简化的系统框图为：由实际转速和给定转速作为输入量，通过PI控制器得到转矩给定，作为输出量，送至FOC模块。
Infolytica软件与同类软件的区别 Infolytica与Ansys、Ansoft、Flux软件对比如下：●这里主要介绍下Infolytica与Ansoft、Flux对比中的优势：✧建模方面：Infolytica应用于任何二维、三维结构建模，可导入、导出其他格式，如SAT、Pro/E、Catia、STEP、IGES、Investor等，模型识别能力较强。
Ansoft Maxwell、Flux模型识别能力方面不好，导出的cad模型dxf 图纸不能直接标注。
✧剖分功能：Infolytica具有网格自适应剖分功能和求解阶次自适应功能，具备市场唯一的二维1~4阶和三维1~3阶求解能力，可以在保证精度的情况下，快速求解2D/3D问题。
而Ansoft网格剖分技术只适合于低端或二维领域，也只有在二维领域才能跟Infolytica相提并论，在处理三维大型复杂问题时则明显不足。
✧3D电磁分析中：速度和精度上Infolytica软件高于Ansoft和Flux软件。
✧二次开发方面：Infolytica具有丰富的脚本和操作过程详细而简洁的函数记录，非常方便使用者二次开发。
而Ansoft、Flux 操作记录非常复杂, 给二次开发带来困难。
Ansoft通过宏来实现，对用户的编程能力要求太高。
✧不同之处：Infolytica具有市场上唯一支持六自由度和多运动部件瞬态运动求解器，而Ansoft、Flux不具备这两种功能。
✧多参数和多目标优化：Infolytica强大的参数化功能，结合优化模块OptiNet可以进行多参数和多目标的优化，Flux这个功能较好，Ansoft有这个功能，但没有温度功能，更不能对磁热耦合结果进行优化。
✧全球5大领先优势：磁场MagNet和电场ElecNet的耦合，应用粒子加速、CRT电子轨迹和电弧研究；磁场MagNet和温度场ThermNet双向耦合分析；电场ElecNet和温度场ThermNet双向耦合分析；优化模块OptiNet可以优化磁场MagNet 和温度场ThermNet耦合结果、电场ElecNet和温度场ThermNet耦合结果；电磁场的六自由度、多运动体的独家分析能力。
电工电子入门的几款仿真软件电子报电工理论和实践知识比较生涩抽象难懂，个人电脑的普及和仿真软件的横空出世，使得电工专业知识的学习变得比较好学。
利用仿真软件，在个人电脑上就可以克服实验室器件品种、规格和数量不足、仪器损坏的困难，可以通过验证型、测试型、设计型、纠错型和创新型等不同形式的训练，仿真验证抽象的理论、虚拟现场场景的状况，培养分析、应用和创新的能力。
下面几款仿真软件可以帮助我们解决电工学习、设计中的一些难题。
一、Multisim软件Multisim（如图1所示）是一款相当优秀的专业化SPICE仿真标准环境，它功能强悍，为用户提供了所见即所得的设计环境、互动式的仿真界面、动态显示元件、具有3D效果的仿真电路、虚拟仪表、分析功能与图形显示窗口。
它的特殊功能有：1. 用软件的方法虚拟电子与电工元器件、仪器和仪表，能虚拟仿真电路设计、电路功能测试。
2. 提供数千种电路元器件供实验选用，可以新建或扩充已有的元器件库，所用的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到。
3. 提供实验用的仪器：万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；提供特殊仪器：波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
4. 能进行电路性能分析：交直流灵敏度分析、电路的噪声分析和失真分析、瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析等。
5. 可以对电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等进行设计、测试和演示。
6. 可以方便地对元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
7. 在进行仿真的同时，还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据，而且可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图等。
图1 Multisim软件二、Electronic Workbench软件Electronic Workbench（如图2所示）是加拿大Interactive Image公司推出的经典小巧的电子电路计算机辅助设计软件。
