CN108923704A - 一种无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新型电机瞬态电磁场分析和设计领域，公开了一种无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统及方法，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；无刷双馈电机有限元分析；无刷双馈电机对比分析；无刷双馈电机有限元分析包括剖分、磁密、磁力线和气隙磁密分布、绕组感应电势和电流、绕组磁链和电磁转矩；无刷双馈电机对比分析包括绕组匝数不同的比较和不同转速的比较。本发明无刷双馈电机消除了电刷和滑环，提高可靠性，降低成本；改变控制绕组的连接方式和频率，具备良好的起动性能和高效的运行性能。
Description
技术领域
本发明属于新型电机瞬态电磁场分析和设计领域，尤其涉及一种无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
现代化社会，电机这一存在，推进了经济社会的发展，所应用的领域主要包括公共生活、工业、农业、国防建设等。在我国，重工业和全国各设备的年度用电总量中，电机所消耗的电量占的比重很大。根据数据显示，其中高效节能电机在电机总量中所占比重极小，尚不足3％，可见这一问题的严重性。由于近些年工业，科技的飞速进步，人们对于能源的开采太过无节制，导致能源资源短缺问题越来越严重，这就需要人们花更多的注意力在绿色节能方面，进行更深的研究，由此高效节能电机也就得到工业界越来越多的重视。
在信息技术高速发展的现代社会，各种各样的自动化设备越来越齐全，与之匹配的电机需求量比较大，在这些精密的设备中电机的性能及控制精度要求比较苛刻，而且要求低价格，高性能。无刷双馈电机在电机中占有很大的发展空间。主要是其能做到无刷化、维护成本低、高可靠等技术性能。
交流电机在工业和农业的生产中被大量使用的是同步电机和异步电机。它们有的可靠性较低，维护成本高，有的结构虽然简单，但是控制不方便，性能也低。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有技术中，可靠性较低、维护成本高；
控制不方便、性能低。
现有技术中，无刷双馈电机没有消除电刷和滑环，但可靠性不够高，不易降低成本。造成不具备良好的起动性能和高效的运行性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统及方法，
本发明是这样实现的，一种无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析包括：利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；进行有限元分析；通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析。
进一步，无刷双馈电机有限元分析包括剖分、磁密、磁力线和气隙磁密分布、绕组感应电势和电流、绕组磁链和电磁转矩的分析。
进一步，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型中，需进行：
无刷双馈电机的转速分析：
旋转速度为：
假设转子的速度为n，转子中两个定子旋转磁场的感应电势频率为：
两个磁场必须同时旋转；则：
frp＝frq；
进一步得到：
无刷双馈电机的功率分析：电机以电动机方式稳态运行时，两个定子绕组的输入功率为：
Pp＝PpCu+PpFe+Ppem
±Pq＝PqCu+PqFe+Pqem
上式中，功率绕组、控制绕组的电磁功率分别为Ppem、Pqem；两绕组的铜损耗分别为PpCu和PqCu；两绕组的铁损耗分别为PpFe和PqFe；
当Pq取正号的时候，电机运行在超同步的方式下，有功功率由电网向控制绕组输入；
当Pq取负号的时候，电机运行在亚同步的方式下，电机只由电网输入功率，电机总功率为：
Pem＝Ppem+Pqem
无刷双馈电机转子相对于定子两套绕组旋转磁场的转差率为：
功率绕组产生的机械功率，忽略定子电阻的损耗的结果；如下式：
Pmecp＝(1-sp)Pp
转差功率为：Psp＝spPp；
控制绕组产生的机械功率中，控制绕组的输入功率就等于功率绕组的转差功率Psp，忽略了转子的损耗；如下式：
Pmecq＝(1-sq)Psp；
控制绕组的转差功率为：
Psq＝-Psp；
两绕组提供的电磁功率由转差功率和电磁功率之间的联系求出，如下式
由上公式和电动机转差功率和电磁功率之间的联系，电机功率绕组和控制绕组产生的机械功率被求出，如下式：
进一步，有限元分析包括：Ansoft Maxwell分析电磁场时基于麦克斯韦微分方程组，并采用有限元离散形式把电磁场计算转换为庞大的矩阵求解，将无限转化为有限；麦克斯韦微分方程如下：
式中，H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m2；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；D为电位移，C/m2；另外：
式中，ε为介电常数，σ为电导率，μ为导磁率；
通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析，包括：
不同转速的比较：在不改变功率绕组和控制绕组的匝数的情况下，改变无刷双馈电机的转速进行仿真，设置无刷双馈电机的绕组匝数固定为50匝，转速分别为600rpm、650rpm和700rpm，并对仿真结果进行对比分析；
对得到的气隙磁密、电磁转矩、功率绕组电流和磁链曲线进行对比分析。
进一步，无刷双馈电机对比分析包括绕组匝数不同的比较和不同转速的比较。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统及方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统，所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统包括：
无刷双馈电机模型构建模块，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；
有限元分析模块，进行有限元分析；
对比分析模块，通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统的交流电机运行状态分析设备。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
无刷双馈电机消除了电刷和滑环，提高可靠性，降低成本。改变控制绕组的连接方式和频率，具备良好的起动性能和出色的运行性能。
本发明分析了无刷双馈电机的特性，进行多组仿真，结论有：
(1)气隙磁密
气隙磁密都分布不均匀不对称，波形有变化，但变化不是很大。说明电机转速对气隙磁密有影响，但不是很大。
(2)功率绕组磁链
三种不同转速的功率绕组磁链曲线是一样的。说明在绕组匝数不变的情况下，电机的转速对功率绕组磁链不影响。
(3)功率绕组电流曲线
三种不同转速电机的功率绕组电流曲线接近正弦，数值也相差不大。说明绕组匝数不变的情况下，电机转速对功率电流曲线没有很大的影响。
(4)电磁转矩
三种不同转速的电机的电磁转矩曲线不一致，且电磁转矩的数值也不同。600rmp的电磁转矩峰值较大，650rmp和700rmp的电磁转矩峰值基本相当。说明在绕组匝数不变的情况下，电机转速对电磁转矩有影响。
通过上述验证，为无刷双馈电机的运行性能提供依据。
本发明在Ansoft Maxwell软件的基础上，利用有限元分析方法对无刷双馈电机进行仿真，对无刷双馈电机进行瞬态场分析。得到电机的气隙磁密、电磁转矩、功率绕组电流和磁链等重要参数。在电机转速不变的情况下，改变绕组的匝数进行仿真，对得到的气隙磁密、电磁转矩、功率绕组电流和磁链曲线进行对比分析；在电机绕组的匝数不变的情况下，改变电机的转速进行仿真，对得到的气隙磁密、电磁转矩、功率绕组电流和磁链曲线进行对比分析。得到以下结论：
无刷双馈电机的气隙磁密分布不均匀不对称，绕组匝数和电机转速都对电机的气隙磁密分布有影响；
绕组匝数和电机转速对无刷双馈电机的功率绕组磁链没有影响；
在转速不变的情况下，电机绕组匝数越多，功率绕组电流就越小，电机转速对功率绕组没有很大的影响；
在电机转速不变的情况下，电机绕组匝数越多，转矩越小，转速也对转矩有一定的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的无刷双馈电机仿真模型示意图；
图2是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的无刷双馈电机剖分图示意图；
图3是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的无刷双馈电机铁芯的磁化曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的磁密分布示意图；
图5是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的磁力线分布示意图；
图6是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的电机气隙磁密曲线分布示意图；
图7是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的控制绕组感应电势曲线分布示意图；
图8是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的功率绕组感应电势曲线分布示意图；
图9是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的功率绕组电流曲线分布示意图；
图10是本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的控制绕组电流曲线分布示意图；
图11是发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的功率绕组磁链曲线分布示意图；
图12是发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的电磁转矩曲线分布示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，包括：利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；进行有限元分析；通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析。
无刷双馈电机有限元分析包括剖分、磁密、磁力线和气隙磁密分布、绕组感应电势和电流、绕组磁链和电磁转矩的分析。
无刷双馈电机对比分析包括绕组匝数不同的比较和不同转速的比较。
本发明实施例提供的无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统包括：
无刷双馈电机模型构建模块，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；
有限元分析模块，进行有限元分析；
对比分析模块，通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
一，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型。
本发明的转子结构是径向叠片式，该电机的内部磁场的不对称性，解区域要选择整个电机的截面，无刷双馈电机仿真模型如图1所示。
二、无刷双馈电机有限元分析
1、剖分
瞬态场网格必须手动剖分，要设置表面长度，内部长度，表面近似三种。对无刷双馈电机进行剖分，得到若干个三角形网格。
如图2所示，剖分图气隙处剖分较密集。
如图3所示，无刷双馈电机铁芯的磁化曲线。
2、磁密、磁力线和气隙磁密分布
剖分完成后，对整个无刷双馈电机模型进行分析，本发明对无刷双馈电机模型进行0.01s，步长为0.001s的分析，得到磁密分布图和磁力线分布图。
在无刷双馈电机模型剖分求解完成后，为了能够查看电机气隙的磁密分布情况，在气隙中绘制一条气隙线，按照求解步骤分析计算得到气隙磁密的二维分布图形。
如图4和图5所示，该电机的磁通密度分布呈现不对称，以二维的视觉来看，仿真模型的上，下端的磁通密度大，而左右两边的磁通密度相对较小。
如图6所示，出电机的气隙磁密分布不规则，最大值接近500mT。
3、绕组感应电势和电流
如图7所示，0到4ms时，曲线有点波动，但约在4ms后控制绕组相电压三相对称，幅值相等，具有良好的正弦性。
如图8所示，功率绕组的感应电势曲线跟控制绕组的感应曲线相同。0到4ms时，曲线有点波动，约在4ms后，功率绕组相电压三相对称，幅值相等，有良好的正弦性。
如图9所示，功率绕组的相电流差不多接近正弦，在正向的峰值处有点小波动，影响不是很大。功率绕组A相的电流最大值约为9.6A，最小值约为-2A；B相的电流最大值约为10.8A，最小值约为-2.4A；C相的电流最大值约为11A，最小值约为-2A。总体来说，A相的电流会小一点，但相差不是很大。
如图10所示，控制绕组的三相电流波形不一样，A相和C相的电流曲线快接近正弦，而B相电流没有良好的正弦性。但这3相的电流曲线都成周期性。
4、绕组磁链和电磁转矩
无刷双馈电机的磁链包括每一相的自感磁链、同一套绕组相间互感磁链及功率与控制绕组间的互感磁链，其中功率与控制绕组之间的磁链体现了转子对两套定子绕组的耦合作用，与电机性能密切相关。
如果在定子的2q绕组通入频率ωq的电流，在一定转速下，就会在2p绕组中产生频率为ωp的电动势，此时若在2p绕组上通入频率为ωp的电流，由于在2p绕组内的速度感应电动势频率与其电流频率相同，所以可以产生稳定的电磁转矩，从而实现电机的机电能量的转换，反之亦然。
如图11所示，磁通随着时间变化，每相的峰值不同，A、B、C三相绕组磁链的相交处在0wb。A相的最大值为0.6wb，最小值为-0.8wb；B相的最大值为0.15wb，最小值为-1.25wb；C相的最大值为1.35wb，最小值为-0.05wb。该磁链曲线具有良好的正弦性。
如图12所示，电机的转矩在正方向的最大值约为9N·m，在反方向达到最大值，约15N·m，总体来说成周期性变化，但不稳定。
三、无刷双馈电机对比分析
1、绕组匝数不同的比较
分析无刷双馈电机的特性，进行多组仿真，转速不变为750rpm，改变了功率绕组和控制绕组的匝数，分别为15匝、30匝和50匝，对仿真结果进行对比分析。
(1)绕组匝数不同的比较
仿真得到的气隙磁密分布都不均匀对称
(2)功率绕组磁链
三种不同匝数的电机的功率绕组磁链曲线一致，没有任何变化，这说明了无刷双馈电机的功率绕组磁链跟绕组匝数没有关系。
(3)功率绕组电流曲线
功率绕组电流波形几乎一致，但数值上有变化，15匝、30匝和50匝绕组所对应的电流依次减小。说明在转速不变的情况下，电机绕组匝数越多，电流就越小，二者成反比
(4)电磁转矩
三种电机的电磁转矩的波形几乎一致，但数值有所变化，15匝、30匝和50匝绕组的电机的电磁转矩正方向峰值依次为33.5N·m、9N·m、3.35N·m，反方向峰值依次为-62.5N·m、-15N·m、-5.5N·m。该3种不同绕组对应的电磁转矩的峰值的绝对值依次减小，说明在转速不变的情况下，电机绕组匝数越多，转矩越小，二者成反比。
2不同转速的比较
在不改变功率绕组和控制绕组的匝数的情况下，改变无刷双馈电机的转速进行仿真，设置无刷双馈电机的绕组匝数固定为50匝，转速分别为600rpm、650rpm和700rpm，并对仿真结果进行对比分析。
(1)气隙磁密
气隙磁密都分布不均匀不对称，波形有变化，但变化不是很大。说明电机转速对气隙磁密有影响，但不是很大。
(2)功率绕组磁链
三种不同转速的功率绕组磁链曲线是一样的。说明在绕组匝数不变的情况下，电机的转速对功率绕组磁链不影响。
(3)功率绕组电流曲线
三种不同转速电机的功率绕组电流曲线接近正弦，数值也相差不大。说明绕组匝数不变的情况下，电机转速对功率电流曲线没有很大的影响。
(4)电磁转矩
三种不同转速的电机的电磁转矩曲线不一致，且电磁转矩的数值也不同。600rmp的电磁转矩峰值较大，650rmp和700rmp的电磁转矩峰值差不多。说明在绕组匝数不变的情况下，电机转速对电磁转矩有影响。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
本发明利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型中，需进行：
无刷双馈电机的转速分析：
旋转速度为：
假设转子的速度为n，转子中两个定子旋转磁场的感应电势频率为：
两个磁场必须同时旋转；则：
frp＝frq；
进一步得到：
无刷双馈电机的功率分析：电机以电动机方式稳态运行时，两个定子绕组的输入功率为：
Pp＝PpCu+PpFe+Ppem
±Pq＝PqCu+PqFe+Pqem
上式中，功率绕组、控制绕组的电磁功率分别为Ppem、Pqem；两绕组的铜损耗分别为PpCu和PqCu；两绕组的铁损耗分别为PpFe和PqFe；
当Pq取正号的时候，电机运行在超同步的方式下，有功功率由电网向控制绕组输入；
当Pq取负号的时候，电机运行在亚同步的方式下，电机只由电网输入功率，电机总功率为：
Pem＝Ppem+Pqem
无刷双馈电机转子相对于定子两套绕组旋转磁场的转差率为：
功率绕组产生的机械功率，忽略定子电阻的损耗的结果；如下式：
Pmecp＝(1-sp)Pp
转差功率为：Psp＝spPp；
控制绕组产生的机械功率中，控制绕组的输入功率就等于功率绕组的转差功率Psp，忽略了转子的损耗；如下式：
Pmecq＝(1-sq)Psp；
控制绕组的转差功率为：
Psq＝-Psp；
两绕组提供的电磁功率由转差功率和电磁功率之间的联系求出，如下式
由上公式和电动机转差功率和电磁功率之间的联系，电机功率绕组和控制绕组产生的机械功率被求出，如下式：
有限元分析包括：Ansoft Maxwell分析电磁场时基于麦克斯韦微分方程组，并采用有限元离散形式把电磁场计算转换为庞大的矩阵求解，将无限转化为有限；麦克斯韦微分方程如下：
式中，H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m2；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，T；D为电位移，C/m2；另外：
式中，ε为介电常数，σ为电导率，μ为导磁率；
通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析，包括：
不同转速的比较：在不改变功率绕组和控制绕组的匝数的情况下，改变无刷双馈电机的转速进行仿真，设置无刷双馈电机的绕组匝数固定为50匝，转速分别为600rpm、650rpm和700rpm，并对仿真结果进行对比分析；
对得到的气隙磁密、电磁转矩、功率绕组电流和磁链曲线进行对比分析。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，其特征在于，所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法包括：利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；进行有限元分析；通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析。
2.如权利要求1所述的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，其特征在于，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型中，需进行：
无刷双馈电机的转速分析：
旋转速度为：
假设转子的速度为n，转子中两个定子旋转磁场的感应电势频率为：
两个磁场必须同时旋转；则：
frp＝frq；
进一步得到：
无刷双馈电机的功率分析：电机以电动机方式稳态运行时，两个定子绕组的输入功率为：
Pp＝PpCu+PpFe+Ppem
±Pq＝PqCu+PqFe+Pqem
上式中，功率绕组、控制绕组的电磁功率分别为Ppem、Pqem；两绕组的铜损耗分别为PpCu和PqCu；两绕组的铁损耗分别为PpFe和PqFe；
当Pq取正号的时候，电机运行在超同步的方式下，有功功率由电网向控制绕组输入；
当Pq取负号的时候，电机运行在亚同步的方式下，电机只由电网输入功率，电机总功率为：
Pem＝Ppem+Pqem
无刷双馈电机转子相对于定子两套绕组旋转磁场的转差率为：
功率绕组产生的机械功率，忽略定子电阻的损耗的结果；如下式：
Pmecp＝(1-sp)Pp
转差功率为：Psp＝spPp；
控制绕组产生的机械功率中，控制绕组的输入功率就等于功率绕组的转差功率Psp，忽略了转子的损耗；如下式：
Pmecq＝(1-sq)Psp；
控制绕组的转差功率为：
Psq＝-Psp；
两绕组提供的电磁功率由转差功率和电磁功率之间的联系求出，如下式
由上公式和电动机转差功率和电磁功率之间的联系，电机功率绕组和控制绕组产生的机械功率被求出，如下式：
3.如权利要求1所述的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，其特征在于，有限元分析包括：Ansoft Maxwell分析电磁场时基于麦克斯韦微分方程组，并采用有限元离散形式把电磁场计算转换为庞大的矩阵求解，将无限转化为有限；麦克斯韦微分方程如下：
式中，H为磁场强度，A/m；J为电流密度，A/m2；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，D为电位移，C/m2；另外：
式中，ε为介电常数，σ为电导率，μ为导磁率；
通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析，包括：
不同转速的比较：在不改变功率绕组和控制绕组的匝数的情况下，改变无刷双馈电机的转速进行仿真，设置无刷双馈电机的绕组匝数固定为50匝，转速分别为600rpm、650rpm和700rpm，并对仿真结果进行对比分析；
对得到的气隙磁密、电磁转矩、功率绕组电流和磁链曲线进行对比分析。
4.如权利要求1所述的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，其特征在于，
无刷双馈电机有限元分析包括剖分、磁密、磁力线和气隙磁密分布、绕组感应电势和电流、绕组磁链和电磁转矩的分析。
5.如权利要求1所述的无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法，其特征在于，无刷双馈电机对比分析包括绕组匝数不同的比较和不同转速的比较。
6.一种实现权利要求1～5任意一项所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的计算机程序。
7.一种实现权利要求1～5任意一项所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的信息数据处理终端。
8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统及方法。
9.一种实现权利要求1所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析方法的无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统，其特征在于，所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统包括：
无刷双馈电机模型构建模块，利用Ansoft创建无刷双馈电机的模型；
有限元分析模块，进行有限元分析；
对比分析模块，通过改变电机绕组的匝数和电机的转速，进行对比分析。
10.一种搭载权利要求9所述无刷双馈电机瞬态场仿真分析系统的交流电机运行状态分析设备。
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