利用Maxwell幫助發(fā)電機分析和設(shè)計

2017-06-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一帶一路國際高峰論壇順利召開,將有效推動中國制造在一帶一路沿線國家市場份額的提升,這其中包括在印度市場機會的增加。眾所周知,印度具備低成本勞動力優(yōu)勢,但其交通運輸、能源電力、物流倉儲、公共服務(wù)等在內(nèi)的落后基礎(chǔ)設(shè)施大大抵消了由各項低成本要素產(chǎn)生的優(yōu)勢。因此,面對印度能源與電力短缺現(xiàn)狀,印度“十三五”(2017.4-2022.3)計劃新增裝機147GW,年均電網(wǎng)投資超千億元。而印度電力設(shè)備主要依賴進口,發(fā)電機(MADE IN CHIAN)有望深入印度發(fā)輸配電、儲能各環(huán)節(jié)。而優(yōu)秀和卓越的產(chǎn)品研發(fā),是這場印度發(fā)電機市場份額爭奪戰(zhàn)的核心競爭力體現(xiàn)。

發(fā)電機是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設(shè)備,它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動,將水流,氣流,燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能傳給發(fā)電機,再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。常見的永磁同步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、運行可靠、效率高等優(yōu)點,隨著永磁材料性能的不斷提升、價格的逐步降低,以及電力電子的發(fā)展,永磁同步電機在各行各業(yè)應(yīng)用越來越廣泛,不管國防、工農(nóng)業(yè)還是日常生活,永磁同步發(fā)電及都不失為一種好的選擇。

傳統(tǒng)電機設(shè)計中通常分為電路和磁路計算,但實際上電和磁均是由電磁場能量所得,再加之材料的非線性特性,傳統(tǒng)算法很難得到精確磁路結(jié)果,嚴(yán)重影響電機性能。隨著數(shù)值計算和計算機技術(shù)的發(fā)展,有限元仿真可獲得更精準(zhǔn)的電機計算結(jié)果,提高研發(fā)效率,提升產(chǎn)品性能。

ANSYS高性能電機電磁仿真方案,經(jīng)歷了旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計專家RMxprt與通用電頻電磁場仿真軟件Maxwell獨立計算,RMxprt一鍵生成Maxwell有限元仿真模型等多次理論算法與操作上的完善,在電機仿真領(lǐng)域地位不可動搖。

圖1為ANSYS Maxwell 2D永磁電機仿真模型,利用邊界條件,仿真對象為1/8模型,大大縮短了仿真時間,提高了研發(fā)效率。

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圖1 Maxwell 2D電機仿真(1/8)模型

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圖2 Maxwell 2D電機仿真場強云圖

圖2為Maxwell 2D仿真的場強云圖,通用的maxwell結(jié)果中包含電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、三相電感、損耗等量?；谔嵘こ處熝邪l(fā)效率、節(jié)省研發(fā)成本,同時也為了更方便的利用軟件處理電機設(shè)計中面臨的復(fù)雜的后處理問題,ANSYS提供了針對電機后處理開發(fā)的腳本程序UDO。

1、UDO的Average &RMS Solutions在發(fā)電機中的應(yīng)用

UDO全名User Defined Outputs,即用戶自定義輸出。是基于開放式的Python語言,用于Maxwell2D和Maxwell 3D瞬態(tài)磁場求解器,為電機(電動機和發(fā)電機均可)仿真應(yīng)用開發(fā)的專業(yè)后處理腳本程序。利用Average&RMS Solutions,可以方便的得到電機輸入輸出功率,轉(zhuǎn)矩及其波動量,功率因數(shù),DQ軸的電感、電流、磁通量等電磁性能數(shù)據(jù)。

Average & RMS Solutions的設(shè)置路徑為Maxwell2D/3D à Results à Create User Defined Solutions àElectric Machines Solutions à R16.2/16.1/16 àAverage & RMS Solutions(不同toolkits版本),界面如圖3所示。

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圖3 Average & RMS Solutions的設(shè)置方法

Average & RMS Solutions的結(jié)果查看操作為Maxwell2D/3D à Results à Create User Defined Report àRectangular Plot/Data Table/…,界面如圖4所示。

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圖4 Average & RMS Solutions的結(jié)果查看操作方法

圖5-7為Average & RMS Solutions的部分結(jié)果。

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圖5 不同電流值對應(yīng)的DQ軸電感值

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圖6 不同電流值對應(yīng)的DQ軸電流值

利用Maxwell幫助發(fā)電機分析和設(shè)計Maxwell應(yīng)用技術(shù)圖片7

圖7 不同電流值對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動量

2、外電路參數(shù)化在同步永磁發(fā)電機中的應(yīng)用

永磁發(fā)電機省去了滑環(huán),更需要變頻器等外電路的配合。發(fā)電機的外部電路可以利用Maxwell Circuit外電路編輯器進行編輯(復(fù)雜電路需與Simplorer耦合仿真)。電路中器件的參數(shù)值可以設(shè)置為變量(例如發(fā)電機帶不同感性負(fù)載的工況,可以將電阻或電感值設(shè)置為變量),并且該電路變量可以導(dǎo)入Maxwell有限元模型,便于進行發(fā)電機不同外部電路工況對電機本體性能影響的參數(shù)化/優(yōu)化分析,并保證仿真精度。

操作方法:首先在外電路中將器件參數(shù)設(shè)為變量,在傳遞給Maxwell時,需在導(dǎo)入外電路*.sph時的對話框第4個選項卡的參數(shù)框中進行變量的確認(rèn)與轉(zhuǎn)換,將第三列Value值設(shè)置為在Maxwell中對應(yīng)的變量名稱即可,具體設(shè)置如圖8-9所示,之后便可實現(xiàn)外電路中電信號與Maxwell有限元模型的激勵源同步變化的功能。