基于Motor-CAD的电机电磁和温升的快速计算

安万强

安世亚太仿真业务部高级应用工程师

在电机行业发展新形式下，如何快速设计一款符合要求的电机成为各个电机厂不断追求的目标，也是各个厂家自身竞争力强弱的体现。正因如此，越来越多的电机设计软件应运而生，不断开发更新，每款软件都是促进电机设计不断进步的有力工具。本篇文章基于Motor-CAD去计算分析电机设计的各个物理场的计算，使得读者有一个概略认识。

本次计算以一台永磁电机为对象进行设计计算。电机为8极48槽，“V”字型转子槽的永磁电机，电机轴向长度150mm，为了减小涡流损耗，磁钢轴向分为18段。

• 几何建模

图1是电机定子冲片数据，图2是转子和磁钢的数据，图3是整个径向面数据。图4是电机轴向方向的数据，包括定转子铁心长度以及磁钢轴向分段数。

图1

图2

图3

图4

• 绕组数据

绕组的设置如图5所示。三相单层绕组，匝数为6，节距为5，并联路数为2。图5展示了每相绕组在槽内的分布和各个线圈的连接。图6是绕组排布后气隙磁势的谐波次数和幅值。图7是每个谐波的绕组系数。

图5

  

图6                                  图7

绕组排布设置后需要设置线规，具体线规的设置如图8所示。

图8

• 材料设置

基于Motor-CAD的计算流程，则该对电机的各个部分设置材料属性。图9是材料列表，磁钢采用的30UH牌号。

图9

电磁计算

电磁计算是整个电机性能计算的核心和基础，本次计算电机的转速为3000Rpm，线电流的幅值为480安培，母线电压为400V，电流超前度设置为45度。电机为正弦供电形式，绕组采用星接。彩钢采用平行充磁，假设工况平稳运行下，绕组的温度是65度，磁钢也是65度。

求解参数如图11所示，可以求解空载情况下的运行数据，也可以求解负载情况下的相关参数，这里求解的是反电势和齿槽转矩以及负载运行下的转矩。

图10

图11

经过计算得到电磁结果，Motor-CAD的电磁结果比较全面，涵盖了整个电机设计关心的数据类型。图12是一个极下的磁密分布云图。图13、图14、图15是电机运行下的整体性能数据。包括电压、电流、损耗、转矩、输入功率、输出功率、效率、功率因数等。图16-18则是电机性能参数曲线的展示。

图12

图13

图14

可以发现电机在此工况下，输出转矩为286N*m，输入功率为90kW，输出功率85kW，总的损耗为5kW，效率为94.5%。

图15

图16

图17

图18

热计算

电磁计算的损耗数据是热计算的输入源，因此基于电磁计算的结果对电机的散热进行分析。

热计算建模在电磁基础上添加了机座、冷却道等结构。图19是热计算径向数据设置，而后进行轴向数据的设置，以此建立冷却水道，具体设置如图20。

图19

图20

电机散热计算中，绕组的浸漆程度和一些工艺因素对散热的影响较大，因此有必要着重关注这些方面。本例中的浸漆设置、绝缘设置、绕组在槽内的分布情况如图21所示。

图21

由于该电机选择的是水冷，因此需要选中“Housing Water Jacket”，另外还需要设置电机所处的环境温度。而后设置入口水的流量，这里需要提醒一下，一般都是习惯用每分钟多少升作为计量单位，因此需要提前设置为“l/min”，同时设置恒定流量为6.5L/min，如图22。

图22

图23

设定流量之后，需要指定流体的材质类型和属性，图24是展示了本次计算的冷却介质的属性设置。图25设置了电机实体部分的材料热属性设置。剩下的采取默认设置即可。

图24

图25

计算的热源可以是输入的损耗，也可以是电磁计算损耗直接导出在热计算模块，这里采用电磁计算的损耗作为计算的热源。图26展示了计算稳态时温度分布情况，并且损耗来自电磁计算结果。

Motor-CAD热计算依据热网络法，这样可以快速计算出电机的温度分布，用时比有限元要少很多，精度也可以保证工程要求。

图26

点击求解，计算结果如图27-30所示。

图27

图28

图29

图30

结论

Motor-CAD基于自己的优势，采用快速有限元法和热网络法，在短时间内可以计算出电机的设计性能，大大缩短了电机概念设计的周期，提高了电机研发的速度，有助于电机设计水平的提升。