Наблюдение за крутящим моментом вместе с распределением магнитного поля и потерь в стали позволяет инженерам оптимизировать удельные характеристики с минимальным весом и затратами. При переходе автомобильной промышленности на электромобили (EV) двигатели с постоянными магнитами (PMM) все чаще выполняют различные функции, включая тяговый двигатель транспортного средства и различные подсистемы. PMM предлагают много преимуществ по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока или асинхронными машинами, включая более высокую удельную мощность и отношение крутящего момента к массе. Они более прочные, так как в них не используются кисти. Есть предварительное возбуждение постоянными магнитами, что приводит к более высокому КПД.
И поскольку они управляются электроникой, PMM предлагают быстрый отклик. Они являются ключом к впечатляющей скорости разгона до 100 км ч менее чем за две секунды достигаемой некоторыми электромобилями. Моделирование важный инструмент для проектирования и анализа электронных машин. В этой статье мы обсуждаем модель PMM с 12 слотами и 10 полюсами, анализируемую с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics. Модель машины имеет осевую длину 80 мм (3,15 дюйма) и внешний диаметр 35 мм (1,37 дюйма). Представленная здесь модель может быть использована для изучения двигателей или генераторов путем изменения условий для входов.
На схеме PMM показаны основные элементы машины. С точки зрения моделирования и моделирования существует четыре основных компонента: железо статора, железо ротора, постоянные магниты ротора и катушки статора. Возбуждение статора обычно состоит из трех фаз: A, B и C. Схема возбуждения, показанная на схеме, является лишь одним из способов возбуждения 12-контактной 10-полюсной машины. Обозначение со стрелкой использовалось для обозначения направления тока в катушках статора. Острие стрелки (точка) означает, что ток выходит из бумаги, а конец стрелки (крестик) означает протекание тока в плоскости бумаги.
PMM вращается, синхронизируя возбуждение статора с положением ротора, учитывая поле, создаваемое постоянными магнитами ротора. Взаимодействие между полями зубьев статора и магнитов ротора создает чистый однонаправленный крутящий момент, который вызывает синхронное вращение. По мере увеличения скорости ротора частота возбуждения статора также увеличивается когерентно с движением ротора. В отличие от асинхронных машин, таких как асинхронные двигатели, обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует токи в роторе. Эти токи взаимодействуют с полем статора, создавая крутящий момент, который является функцией задержки между вращающимся полем статора и движением ротора.
Будет полезно понять, как катушки статора возбуждаются, вызывая движение ротора. Представьте себе случай, когда магнит ротора совмещен с определенным зубом статора. Проще говоря, магнитное поле зубца статора должно быть таким, чтобы оно отталкивало магнит ротора, вызывая тангенциальный толчок. Тангенциальная сила это то, что составляет крутящий момент для вращения. Величина поля статора должна быть максимальной при максимальном совмещении зубца статора и магнита ротора для создания наивысшего значения силы.
Магниты ротора расположены с чередующейся полярностью (северный и южный полюса) по периферии ротора. Следовательно, когда магнит ротора движется вперед, а за ним следует следующий магнит ротора, поле статора должно перевернуться, чтобы снова произвести отталкивающий толчок в том же тангенциальном направлении. Это гарантирует, что крутящий момент является однонаправленным, а ротор продолжает вращаться в том же направлении.
При проектировании электрических машин распределение магнитного поля по периферии воздушного зазора является очень важным фактором. Также называемая волной магнитодвижущей силы (МДС) воздушного зазора, это в основном график радиальной составляющей магнитного поля по окружности воздушного зазора. Напряжения, наведенные в обмотках статора, напрямую зависят от формы волны МДС. Если волна имеет синусоидальную форму, фаза статора будет иметь чисто синусоидальное напряжение.
Если имеется несинусоидальная волна MMF, в наведенных напряжениях статора будут присутствовать гармоники более высокого порядка. Для генератора наличие гармоник приведет к низкому качеству электроэнергии, подаваемой в энергосистему, в то время как для двигателя любые гармоники более высокого порядка означают потерю мощности и, следоватеначальное угловое смещение и изменяем угол в пределах углового диапазона магнита ротора. Затем мы можем рассчитать среднее значение крутящего момента во всем диапазоне.
В качестве начального положения ротора выбираем начальное угловое смещение, соответствующее максимальному среднему крутящему моменту. Следовательно, легко визуализировать относительные положения статора и ротора, которые создают максимальный крутящий момент. В этом исследовании показано использование параметрической развертки в COMSOL Multiphysics для изменения конструктивных параметров двигателя и легкого анализа их влияния на характеристики двигателя. На графике кривой среднего крутящего момента мы можем наблюдать два максимума: начальное угловое положение, соответствующее положительному максимуму, приведет к вращению против часовой стрелки (с правильной последовательностью возбуждения обмотки статора), а начальное угловое положение соответствует отрицательному максимуму. вызовет вращение по часовой стрелке (с соответствующей последовательностью возбуждения обмотки статора).
Наблюдая за поверхностным графиком плотности магнитного потока, мы можем получить много информации о характеристиках машины. Цветовые обозначения на трех графиках магнитного поля ниже указывают значения плотности магнитного потока. Если мы видим большую разницу в цвете в разных частях ярма, это указывает на то, что толщина ярма может быть уменьшена, чтобы выровнять распределение магнитного потока в ярме. Это приведет к лучшему использованию железа для настройки магнитного потока. Если какая-то часть ярма образует узкое место для магнитного потока, это может привести к тому, что значение плотности магнитного потока переместится в нелинейную область кривой гистерезиса.
Иногда определенная часть ярма будет постоянно показывать слабое поле, что означает, что для создания крутящего момента оно используется недостаточно. Если в определенной части образуется постоянное узкое место, нам, вероятно, следует расширить его. Если горячие точки (крошечные области с большой разницей в цвете по сравнению с окружающей средой) наблюдаются в любой области ярма, они указывают на области с очень высокой локальной плотностью магнитного потока. Со временем эти горячие точки вызовут локальный перегрев, тепловое расширение и постоянные локальные механические нагрузки все это значительно сократит срок службы машины. Их можно смягчить, расширив ярмо или, возможно, добавив закругления или скругления на острых углах.
В этом примере мы варьируем толщину железа ротора и статора и исследуем ее влияние на крутящий момент ротора. Из кривой среднего крутящего момента, показанной в предыдущем разделе, для этого исследования выбран начальный угол ротора 20 соответствующий положительному максимуму. На приведенном ниже графике показаны кривые крутящего момента для различных значений толщины железа. Поверхностные графики плотности магнитного потока для трех значений толщины можно использовать для проверки использования железа и сопоставления их с соответствующими формами волны крутящего момента. Из графиков можно сделать вывод, что оптимальное использование железа достигается при толщине железа 2 мм (0,07 дюйма). Когда толщина меньше 2 мм, крутящий момент уменьшается. Если толщина превышает 2 мм, дополнительный материал увеличивает ненужный вес и увеличивает стоимость двигателя.
Однако это не полная картина. При определении толщины железа важную роль также играют такие факторы, как механическая прочность и электромагнитные потери. Мы также можем оценить влияние различной толщины железа на потери в стали, анализируя плотность магнитного потока и крутящий момент ЭМ. В COMSOL Multiphysics есть функция расчета потерь, с помощью которой можно легко вычислить потери в меди и в стали с помощью уравнения Штейнмеца, формулировки Бертотти и модели потерь, определяемой пользователем программного обеспечения.
Исследование волны MMF воздушного зазора в электрической машине типа PMM помогает оценить влияние на качество электроэнергии генератора или КПД двигателя. Крутящий момент двигателя можно максимизировать по отношению к параметрам машины с помощью функции Parametric Sweep в COMSOL Multiphysics. Многосторонний анализ двигателя путем наблюдения за распределением магнитного поля, электромагнитным крутящим моментом и распределением потерь в стали позволяет инженерам оптимизировать производительность с минимальными затратами на вес и материалы.
льно, снижение эффективности. Из моделирования PMM в COMSOL мы получаем распределение магнитного поля и волну MMF в воздушном зазоре. Просто исследуя MMF-волну в этом случае, мы знаем, что в фазе статора не будет чисто синусоидального напряжения.
При более внимательном рассмотрении модели с точки зрения создания максимального электромагнитного момента показано множество подходов, которые мы можем использовать для возбуждения обмоток статора в PMM с определенной конфигурацией паза полюса. Рисунок на схеме двигателя описывает один из способов управления 12-контактным 10-полюсным двигателем с постоянными магнитами. Регулируя либо начальное положение ротора, либо фазу возбуждения обмотки статора, мы можем приложить к ротору максимальный крутящий момент. Мы придаем ротору