扁銅線電機(jī)交流損耗的計(jì)算方法

姜 華

(上海大學(xué),上海200135)

0 引 言

對(duì)于新能源汽車來說,其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心就是驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能優(yōu)劣直接決定了新能源汽車性能好壞。隨著新能源汽車的不斷發(fā)展,新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)呈現(xiàn)出向高功率、小體積、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展。伴隨電機(jī)工藝及設(shè)備的成熟,電機(jī)繞組由圓銅線設(shè)計(jì)逐漸向發(fā)卡式扁銅線繞組設(shè)計(jì)發(fā)展。

發(fā)卡式扁銅線電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn):槽滿率高,散熱性好,繞組端部短,體積小。事物均有兩面性,扁銅線電機(jī)也有一些缺點(diǎn):集膚效應(yīng)大,不利于系列化,對(duì)扁銅線漆膜要求高,對(duì)量產(chǎn)設(shè)備要求高。

扁銅線電機(jī)在很多行業(yè)都有應(yīng)用,如大功率異步電動(dòng)機(jī)、礦山電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、火力發(fā)電機(jī)、大功率牽引電機(jī)、機(jī)車電機(jī)等。因?yàn)檫@些電機(jī)頻率低,用基于等效電路的場計(jì)算方法能夠滿足工程應(yīng)用。但隨著新能源汽車電機(jī)頻率的不斷提高,基于等效電路的場計(jì)算方法完全不能滿足其要求,單純的2D有限元仿真計(jì)算方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確計(jì)算其交流損耗[1]。因此,提高扁銅線電機(jī)繞組的交流損耗計(jì)算精度就顯得尤為重要。

本文以行業(yè)內(nèi)最常用的ANSYS Maxwell仿真軟件介紹扁銅線繞組交流損耗的計(jì)算方法。

目前,行業(yè)內(nèi)較準(zhǔn)確的計(jì)算方法,是按照實(shí)物建立3D仿真模型,但3D仿真模型對(duì)計(jì)算機(jī)工作站配置性能要求高,計(jì)算時(shí)間長,對(duì)于一般工程應(yīng)用來說不太適用。如果擁有小型的超級(jí)計(jì)算中心,那么方案的校核精確計(jì)算可以直接用3D模型完成。如何提高2D仿真模型的計(jì)算精度,以達(dá)到工程計(jì)算的要求,本文利用2D仿真模型和外電路的聯(lián)合仿真方法實(shí)現(xiàn)交流損耗的計(jì)算。

1 建立外電路

用ANSYS RMxprt自動(dòng)生成的2D模型,無論扁銅線繞組設(shè)置多少匝、多少根并繞,軟件生成的都是等效兩層的矩形導(dǎo)體,如圖1所示,且導(dǎo)體類型均等效為“stranded”設(shè)置[2],如圖2所示。

圖1 等效生成繞組2D模型

圖2 繞組設(shè)置

直接利用ANSYS RMxprt生成的2D模型計(jì)算扁銅線交流損耗,當(dāng)電源頻率很低(fr≤50 Hz)時(shí),其準(zhǔn)確性還能滿足工程要求。但隨著頻率升高,負(fù)載點(diǎn)的交流損耗計(jì)算精度越來越低,尤其是考慮控制器輸出電源PWM諧波含量時(shí),交流損耗計(jì)算的精度完全不能滿足工程要求。

如果是兩層繞組,且并聯(lián)支路數(shù)a=1,將繞組類型設(shè)置更改成solid后,可以提高其交流損耗的計(jì)算準(zhǔn)確性。但需要注意的是,直接用ANSYS RMxprt生成的2D導(dǎo)體模型的長、寬尺寸與設(shè)計(jì)尺寸不相同。為了提高計(jì)算精度,直接在Maxwell 2D中按設(shè)計(jì)尺寸建立繞組2D模型。

如果是多層扁銅線繞組,且并聯(lián)支路數(shù)a≥2時(shí),直接用ANSYS RMxprt自動(dòng)生成的2D模型即使將繞組設(shè)置改成solid后,也不能準(zhǔn)確地計(jì)算,因?yàn)锳NSYS Maxwell電源激勵(lì)設(shè)置只能對(duì)一條并聯(lián)支路進(jìn)行電源設(shè)置。當(dāng)2D模型將每層繞組都按實(shí)物分布在槽中時(shí)(以激勵(lì)為電壓源、繞組為Y接、并繞根數(shù)為2的4層繞組為例),等效模型如圖3所示。

圖3 自建4層扁銅線繞組

如果1層、2層繞組為獨(dú)立的支路LA1,3層、4層繞組為獨(dú)立的支路LA2,另外,B相、C相繞組以相同的規(guī)律分支路,此時(shí)需要利用外電路建立2D模型。利用ANSYS Maxwell直接建立外電路,如圖4所示。

圖4 外電路模型

圖5 加電源諧波的外電路

只需要給每相繞組的電壓源賦值,不需要單獨(dú)給每條并繞根數(shù)組成的并繞支路(La1、La2)單獨(dú)賦值,故聯(lián)合外電路建立模型,如圖5所示,該模型適用多根并繞的復(fù)雜繞組形式,或者多條并聯(lián)支路數(shù)的仿真在需要考慮控制器PWM諧波時(shí),可以直接將電壓源中各次諧波加入外電路激勵(lì)中[3](為簡化仿真,一般只添加幅值相對(duì)較大的電源諧波)。

2 計(jì)算繞組端部AC/DC電阻等效系數(shù)

目前,Maxwell 2D軟件當(dāng)繞組導(dǎo)體設(shè)置為solid時(shí),只能對(duì)繞組直線部分進(jìn)行損耗的有限元計(jì)算,對(duì)于繞組端部沒有進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。繞組端部電阻值、端部電感值均是直接輸入進(jìn)行后處理計(jì)算,且輸入的電阻值只是相應(yīng)繞組溫度下的直流電阻值,沒有考慮扁銅線在不同頻率下的交流電阻值。為了提高計(jì)算精度,在計(jì)算繞組總交流損耗時(shí),繞組端部需要考慮交流損耗。在有、無鐵心情況下,扁銅線繞組交流電阻系數(shù)相差很大,Kbar?Kend,所以不能直接將直線部分的繞組交流電阻系數(shù)Kbar直接用于繞組端部的交流電阻系數(shù)Kend。

繞組端部不用建立3D端部模型計(jì)算,原因是3D計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間太長。直接用繞組直線部分的2D模型等效計(jì)算繞組端部交流電阻隨著頻率變化的系數(shù),此時(shí)的繞組模型只有電樞繞組,沒有鐵心。此種狀態(tài)下與實(shí)物繞組端部在分相上是一樣的,但空間分布不完全一樣,通過理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,這種等效計(jì)算方法能夠滿足工程應(yīng)用要求。

無鐵心情況下扁銅線繞組2D模型如圖6所示(電樞繞組分相與實(shí)物一致)。

圖6 只保留繞組的2D模型

先計(jì)算扁銅線直線部分其直流電阻損耗,然后計(jì)算在不同頻率下的交流電阻損耗,兩者比值作為扁銅線電機(jī)端部繞組的AC/DC電阻系數(shù)。扁銅線繞組端部AC/DC電阻系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 電樞繞組端部AC/DC電阻系數(shù)

3 仿真計(jì)算繞組總的AC電阻損耗

先計(jì)算出端部繞組的直流電阻值,然后通過端部繞組的等效AC/DC電阻系數(shù),計(jì)算出相應(yīng)電源頻率下的繞組端部的每相交流電阻值,最后代入外電路Rac中進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。

因?yàn)镸axwell 2D中,仿真結(jié)果中的solidloss只是扁銅線繞組直線部分的交流損耗值,故需后處理繞組的端部交流損耗值。即:

式中:Irms為負(fù)載工況下的相電流有效值;Rac為負(fù)載工況下繞組端部的每相交流電阻。

負(fù)載工況下整個(gè)扁銅線繞組的交流損耗等于端部繞組的交流損耗與直線部分的交流損耗之和。即:

式中:pbar為負(fù)載工況下繞組直線部分的交流損耗值,即仿真結(jié)果中繞組的solidloss。

然后,計(jì)算負(fù)載工況下的直線部分交流損耗pbar,即可推出直線部分的AC/DC電阻系數(shù)。將繞組直線部分AC/DC電阻系數(shù)和端部AC/DC電阻系數(shù)按每相繞組直線部分和端部的長度之比,即可計(jì)算出整個(gè)繞組的AC/DC電阻系數(shù)。負(fù)載工況下(低頻、中頻、高頻所對(duì)應(yīng)的9個(gè)不同工況)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果如表1所示。通過仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果可以看出,仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差很小,最大相差7%。

通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試,電樞繞組溫度為60℃時(shí),得到電樞繞組在不同頻率下AC/DC電阻系數(shù),如圖8所示。

4 電機(jī)仿真和實(shí)測(cè)AC/DC電阻系數(shù)對(duì)比

先計(jì)算出繞組直線部分的直流電阻Rdc,然后在負(fù)載工況下仿真計(jì)算出相電流Irms,即可計(jì)算出直線部分直流電阻損耗值[4]:

圖8 60℃ 時(shí)實(shí)測(cè)AC/DC電阻系數(shù)

表1 仿真和實(shí)測(cè)電樞繞組AC/DC電阻系數(shù)(60℃)

5 結(jié) 語

對(duì)于發(fā)卡式扁銅線電機(jī)交流損耗的計(jì)算,此種利用ANSYS Maxwell 2D仿真計(jì)算的方法能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到工程應(yīng)用的要求。當(dāng)然,如果需要更精確的模型校核計(jì)算,可以考慮建立3D模型,利用配置高的工作站校核計(jì)算。此方法可以加入電源部分PWM諧波進(jìn)行仿真,但沒有考慮電機(jī)參數(shù)對(duì)控制器PWM諧波的影響。如需考慮其影響,則需利用Simulink搭建控制器逆變電路進(jìn)行聯(lián)合仿真,并需要將控制器控制策略置入其中,目前對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真軟件還不夠成熟。