JMAG在電氣工程系電力電子與電氣傳動(dòng)方向的應(yīng)用

袁登科 牙生·合力力

【摘要】隨著電力電子與電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)該系統(tǒng)的研究日漸深入。在基于電路的計(jì)算機(jī)仿真軟件基礎(chǔ)上，JMAG等有限元分析（FEA）軟件越來(lái)越多的應(yīng)用到系統(tǒng)的磁性元件、電機(jī)的鐵耗與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等的深入分析中，文章對(duì)此方向的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】有限元分析 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 磁性元件

【基金項(xiàng)目】文章得到同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)基金資助。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）04-0212-02

交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在公共交通、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用，隨著人們對(duì)該系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的逐步深入，需要采用有限元分析軟件對(duì)系統(tǒng)中的磁性元件、交流電機(jī)等進(jìn)行更加深入的研究。

目前市場(chǎng)上針對(duì)電機(jī)的有限元分析軟件很多，如ANSOFT、JMAG、FLUX等。JMAG是日本JSOL公司研發(fā)的針對(duì)電磁場(chǎng)研究分析的軟件，主要應(yīng)用于各種電機(jī)仿真設(shè)計(jì)與電磁設(shè)備的磁場(chǎng)分析，具有良好的工作界面、精確且高速的分析計(jì)算以及開(kāi)放的接口界面等優(yōu)勢(shì)。

一、JMAG軟件特點(diǎn)

（1）簡(jiǎn)單高效的網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，JMAG提供了手動(dòng)剖分、自動(dòng)剖分、自適應(yīng)剖分、集膚效應(yīng)剖分、疊片剖分等多種網(wǎng)格生成方式。

（2）靈活多樣的材料庫(kù)

軟件包含空氣、線(xiàn)圈、非磁性材料、各向同性電工鋼材料、永磁體等七種類(lèi)型材料。

（3）強(qiáng)大的耦合計(jì)算功能

可以模擬電機(jī)內(nèi)部應(yīng)力、熱等實(shí)際物理變化過(guò)程。

（4）與繪圖軟件的接口

軟件提供了與DXF、GDF、SAT、IGES、CATIA等多種格式模型的導(dǎo)入功能。

（5）擁有鐵耗與電感計(jì)算等多個(gè)專(zhuān)題分析工具

（6）與驅(qū)動(dòng)電路軟件的接口

軟件含有常見(jiàn)的電路元件，如電阻、電感、電容、電源、繞組、電刷等，能滿(mǎn)足一般的驅(qū)動(dòng)電路連接；還提供與專(zhuān)業(yè)電路仿真軟件（如PSIM、SIMULINK、PSPICE等）的接口。

JMAG軟件由艾迪捷信息科技（上海）有限公司進(jìn)行國(guó)內(nèi)代理，在業(yè)界的應(yīng)用與影響力越來(lái)越廣泛。

二、JMAG在電力電子與電氣傳動(dòng)方向的應(yīng)用

1.磁性元件分析

以電動(dòng)汽車(chē)為例，車(chē)載蓄電池的充電中往往采用帶有APFC功能的充電機(jī)。車(chē)載有源功率因數(shù)校正電路中的磁性元件——電感器是一個(gè)關(guān)鍵元件，它影響到系統(tǒng)效率及EMI等特性。為此，可以采用JMAG對(duì)APFC中的電感器進(jìn)行FEA建模，以便更準(zhǔn)確的分析銅耗與鐵耗；分析磁場(chǎng)分布情況從而可以設(shè)計(jì)合理的磁屏蔽；分析不同匝數(shù)、材料和位置的繞組對(duì)磁場(chǎng)的影響以及繞組和磁芯的發(fā)熱情況。

2.電機(jī)性能分析

應(yīng)用JMAG建立電機(jī)的有限元模型與性能分析的主要步驟如下：創(chuàng)建電機(jī)幾何模型；定義電機(jī)不同區(qū)域材料；定義電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)邊界、繞組等條件；定義電機(jī)繞組及外部電路；設(shè)置電機(jī)網(wǎng)格剖分；設(shè)置模型求解內(nèi)容；分析結(jié)果的圖形顯示。圖1給出了對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行JMAG二維有限元建模后，得到的齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果，采用適當(dāng)角度的斜槽將有助于降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖1電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真結(jié)果

3.實(shí)時(shí)仿真

JMAG的實(shí)時(shí)仿真功能組件JMAG-RT可以建立對(duì)象的高精確度計(jì)算模型。它以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，求解速度非?？?；同時(shí)，它是基于FEA的計(jì)算，所以仍會(huì)考慮到電機(jī)損耗、飽和非線(xiàn)性、齒槽轉(zhuǎn)矩等，從而保證較高的準(zhǔn)確度。

JMAG-RT可在系統(tǒng)級(jí)仿真中為電磁裝置提供一個(gè)更準(zhǔn)確的計(jì)算模型。目前，電動(dòng)汽車(chē)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真（HILS）中經(jīng)常會(huì)使用JMAG-RT模塊，該模塊提供了虛擬的電機(jī)模型。HILS的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

①測(cè)試的極大靈活性

對(duì)于電機(jī)廠(chǎng)家，不需要自己做控制電路模型，并且可以方便地對(duì)比測(cè)試不同控制器的性能差異，以便更好的與電機(jī)配套；對(duì)于控制器廠(chǎng)家，可以更好的驗(yàn)證電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

②提高測(cè)試效率

HILS通常是實(shí)時(shí)仿真，計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟件在環(huán)計(jì)算。

三、結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合電力電子與電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，介紹JMAG軟件功能與特點(diǎn)，給出了軟件在磁性元件、電機(jī)性能分析、實(shí)時(shí)仿真等方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁登科.JMAG在PMSM電磁有限元分析中的應(yīng)用，機(jī)電一體化，2014，12：45-49

[2]趙龍濤，尹延杰，竇鐘森.基于JMAG軟件的高速永磁電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)，電工電氣，2014，2：17-20

[3]http：//www.idaj.cn

作者簡(jiǎn)介：

袁登科：講師，博士，同濟(jì)大學(xué)電氣工程系。

牙生·合力力：本科生，同濟(jì)大學(xué)電氣工程系。