利用Maxwell幫助發(fā)電機分析和設計

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、公共服務等在內的落后基礎設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換成電能的機械設備,它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動,將水流,氣流,燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉化為機械能傳給發(fā)電機,再由發(fā)電機轉換為電能。常見的永磁同步發(fā)電機具有結構簡單、體積小、質量輕、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果,嚴重影響電機性能。隨著數(shù)值計算和計算機技術的發(fā)展,有限元仿真可獲得更精準的電機計算結果,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)歷了旋轉電機設計專家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。

圖1 Maxwell 2D電機仿真(1/8)模型

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結果中包含電機的轉矩、轉速、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計中面臨的復雜的后處理問題,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。

圖3 Average & RMS Solutions的設置方法

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

圖4 Average & RMS Solutions的結果查看操作方法

圖5-7為Average & RMS Solutions的部分結果。

圖5 不同電流值對應的DQ軸電感值

圖6 不同電流值對應的DQ軸電流值

圖7 不同電流值對應的轉矩及轉矩波動量

2、外電路參數(shù)化在同步永磁發(fā)電機中的應用

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(復雜電路需與Simplorer耦合仿真)。電路中器件的參數(shù)值可以設置為變量(例如發(fā)電機帶不同感性負載的工況,可以將電阻或電感值設置為變量),并且該電路變量可以導入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)設為變量,在傳遞給Maxwell時,需在導入外電路*.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與轉換,將第三列Value值設置為在Maxwell中對應的變量名稱即可,具體設置如圖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。