軟件為Ansys Maxwell,所用模型為示例庫中的ipm_1,測試方法為:
- 打開示例模型;
- 運行RMxprt仿真;
- 生成Maxwell2D模型;
- 運行2D模型(運行前可修改仿真時長和步長);
- 繪出希望查看的變量並分析。
1.功率梳理及問題
1.1 准備工作
在電路中添加電流表和電壓表,便於觀察:
在直流母線端添加了一個電流表Ibus,在三相輸入端各添加了一個電壓表Ua、Ub、Uc。
電機轉速n=1800rpm,2對極,電周期1/(1800/60)/2=0.01666667s,故選擇0.01666667~0.03333333s這段時間進行觀察,這段時間中各變量已經基本穩定,且為一個整周期。
定子電流:
1.2 輸出功率分析
轉矩:均值T=3.23Nm
輸出機械功率:Pout=Tn=3.23*1800/60*2*pi=608.84W。
同樣輸出功率也可以用各相電流與反電勢乘積的和進行計算。
表達式為InducedVoltage(PhaseA)*Current(PhaseA)+InducedVoltage(PhaseB)*Current(PhaseB)+InducedVoltage(PhaseC)*Current(PhaseC)
得到平均值為607.3,與上面計算的機械輸出功率一致。
1.3 損耗分析
鐵損均值13.808,銅損均值26.539,總損耗均值Ploss=13.808+26.539=40.347W。
輸入功率表達式NodeVoltage(IUa)*BranchCurrent(VIA)+NodeVoltage(IUb)*BranchCurrent(VIB)+NodeVoltage(IUc)*BranchCurrent(VIC)
均值Pin=688.46W
可以發現Pin=688.46≠Pout+Ploss=608.84+40.347=649.187。
注:BranchCurrent(VIA)其實與Current(PhaseA)相等。
2.問題定位與解決
其實輸入電流和電機相電流相等,所以主要應當關注輸入相電壓和電流相反電勢之間的差別。可以注意到這里有一個電阻,其值為2.605Ω。
在RM的Design Sheet中也可以看到這一項,這其實是電機的相電阻。
然而,這並不等於在2D模型中算出來的(實際是有效部分的)導體電阻。
在2D模型中導體長4.48mm,寬4.31mm,共27匝,電導率46000000(75℃),鐵心長度65mm,電阻應計算為0.065/46000000/(4.48*4.31e-6/27)*12*4/3*27=0.8535869Ω。實際上,這是因為RM中考慮了繞組端部的長度和電阻,而2D模型中只考慮了槽內的導體,以至於它們相差了2.605/0.854=3.05倍。
在RM中可以看到半匝長度為133.875mm,比鐵心長度65mm多了133.875-65=68.875mm,即一側的端部長度。
實際上該電機屬於長徑比較小的類型,長度65mm,而外徑120mm,繞組位置半徑約44.5mm,繞組跨距5個槽(360°/24*5),不考慮軸向伸出的部分,繞組端部(一側)長度可估算如下:
2*pi/24*5*44.5=58.25mm,實際上,考慮軸向伸出,實際的長度將會比68.875mm更大,這可以在3D模型中得到體現。
半匝繞組體積2787.4mm^3,截面積19.3mm^2,得到長度約2787.4/19.3=144.4mm,減去有效部分的65mm,還有79.4mm。
因此,在Maxwell2D模型中不能考慮到繞組的端部損耗,應當注意該問題!
實際上,RM對於銅損和鐵損的計算都不是特別准,但誤差主要來源於此處。
3. 補充說明
實際上,母線電流Lbus均值為3.16A,直流電源電壓110V,系統輸入功率Pin1=3.16*110*2=695.2W,比Pin=688.46仍多出6.74W。
這部分損耗為開關器件的導通損耗,開關器件的導通壓降為0.7V,按3.16A計算,損耗為3.16*0.7*3=6.636,基本相等。