永磁同步电机谐波损耗计算

前言

在对永磁同步电机（以下简称PM电机）进行控制时，PWM控制是一种常见的控制手段。PWM控制中由于载波存在谐波，会造成PM电机铁损及铜损的增加，这样就会造成电机效率降低。因此，分析电流谐波造成的损耗对于提高PM电机效率至关重要。

控制模块可以用电路信息和位移作为状态变量来定义。采用高精度工业级模型（以下简称JMAG-RT模型），可以减少仿真达到稳态所需的时间，更有效地评估损耗和效率。

本文介绍了如何利用JMAG-RT模型计算电流控制（PWM控制）PM电机高速运行时的谐波损耗。

一、       功能

JMAGDesigner 18.0版本的软件中可以使用控制电路模块和JMAG-RT模块。另外添加耦合控制元件，可以实现控制JMAG-RT模块的计算时序和FEA计算时序。

1.1.  控制电路模块

控制电路模块包括以下元件，以下任何组合都允许执行各种控制。

• 控制输入/控制输出

• 控制电压源/控制电流源

• 控制电压探头/控制电流探头

• 控制开关

• 控制信号探头预设操作/用户定义计算

1.2.  JMAG-RT模块

JMAG-RT模块中包含预生成的JMAG-RT模型及JMAG电路。控制信号类型有电压信号和电流信号。支持的电机类型如下所示。

• 三相永磁同步电机

• 感应电机

• 线性同步电机

• 开关磁阻电机（三相、四相、五相）

• 步进电机

• 电磁阀

• 绕线磁极同步电机

1.3.  耦合控制元件

耦合控制组件控制JMAG-RT模块计算时序和有限元计算时序。有以下三种方法可以指定有限元计算开始。

• 指定时间之后

• 在指定的步数

• 达到稳态时

• 参考控制信号探针值，比较当前时间向后一个周期范围内的最大值与再之后一个周期范围内的最大值。当数值差在规定公差的误差范围内时，认为已达到稳态，并开始有限元计算。

     

        （1.1）

表1-1[达到稳定状态时]参数

	[公差]中规定的值
abs	绝对值函数
val1	max（CP1(t1)）t-T＜t1≤t
val2	max（CP1(t2)）t-2T＜t2≤t-T
T	Period（=1/f）（s）
f	[频率]中规定的值（Hz）
Max	返回指定范围内最大值的函数
CP1	[监控值]中指定的控制信号探针元件值
t	当前时间（s）

图1-1 达到稳态时

有两种方法可以指定FEA计算停止时间。

• 使用步数控制

• 规定时间后

二、       执行过程

同步电机输入转速，并对电压进行控制，使其根据最大输出控制策略输出电流至电机。电机机械角度和三相电流反馈至控制器。控制器经过计算，输出三相控制电压至逆变器（图2-1）。使用有限元和JMAG-RT对电机进行建模，在JMAG- Designer中设计PWM控制的逆变器模型（图2-2）。JMAG-Designer算例控制更改变量值。

前提条件如下：

1)所用计算机安装Python

2) Python版本为Python2.7.10或更高，但不支持3.0及更高版本

3)所用计算机环境变量路径设置为python install文件夹及其下面的script文件夹(例如: C:¥Python27;C:¥Python27¥Scripts;)

图2-1 模型设计

图2-2 JMAG电路

图中有两种电机模型，分别为FEA模型和JMAG-RT模型。在瞬态分析开始时，仅使用JMAG-RT模型进行计算。达到稳态后，将控制器和JMAG-RT模型线圈电流值输出，并将该电流值作为输入进行FEA分析。由于跳过FEA分析时不能使用功率电路，因此只能使用控制模块来模拟逆变器。

以下是详细仿真流程。

2.1 启动JMAG- Designer

2.2 载入模型

在JMAG-Designer中载入模型JFT069的项目文件。

1)      从JMAG-Designer 菜单栏中选择 [File] > [Open]

2)      出现[Open File]对话框

3)      选择项目文件（*.jproj）

4)      单击[OPEN]

5)      项目文件打开

2.3 案例控制设置

用案例控制设置变量。

1)      右键单击[Project Manager]树中[Study]下的[Case Control]

2)      从菜单中选择[Equations]

3)      出现[Equations]对话框

4)      按表2-3-1设置变量

表2-3-1 参数设置

Variable name	Type	Value	描述
Ld	value	0.00122981	d轴平均电感, H
Lq	value	0.00293405	q轴平均电感, H
Speed	value	1000	转速, r/min
Vdc	value	600	逆变器施加电压, V
Psi	value	0.19547	空载磁通, Vs
Rph	value	0.0283	相电阻, ohm
Npoles	value	8	极数
Imax	value	250	最大电流幅值, A
RatedSpeed	value	4000	额定转速, r/min
DivPElec	Expression	3*360	1个电周期的步数划分
Omc	Expression	(RatedSpeed/60)*(Npoles/2)*(2*pi)	电流控制周期, rad/sec
Cfreq	value	6000	载波频率, Hz

2.4 显示电路

1)      右键单击[Project Manager]树中[Study]下的[Circuit]，出现目录中选择[View]

2)      出现[Edit Circuit]界面，电路图如图2-4-1所示

图2-4-1 电路图

2.5 放置电路元件

放置JMAG-RT模型元件、控制电流源元件和耦合控制元件。控制电流源元件通过一个电路，以连接到控制终端的信号值作为电流值。耦合控制元件控制JMAG-RT和FEA各自计算的时间。

1)      单击 [JMAG-RT] 工具按钮，将鼠标移动到[edit circuit]窗口

2)      在[JMAG-RT模块列表]中选择[PMSM]并单击[OK]按钮

3)      如图2-5-1所示放置元件

4)      点击[Current Source(1 terminal)]工具按钮

5)      放置三个[Current Source(1 terminal)]元件（图2-5-2），之后点击[Esc]键

6)      单击[Coupling Control] 工具按钮

7)      将元件放置在[Edit Circuit]窗口中的任意位置。（图2-5-3）

图2-5-1  JMAG-RT模型元件位置

图2-5-2  电流控制源（1端点）元件放置

图2-5-3耦合控制元件放置

2.6 电路元件设置

为放置的每个元件设置参数。

1)      双击图2-6-1所示的JMAG-RT模型元件（1），设置为表2-6-1所示的参数。

2)      同样，将耦合控制元件按照表2-6-2中显示的参数设置

3) 将控制电流源元件（3）的名称分别更改为“Iu_FEA”、“Iv_FEA”和“Iw_FEA”

4)      关闭[Edit Circuit]

图2-6-1 电路图及元件编号

表2-6-1 JMAG-RT模型元件（1）设置值

参数	设置	描述
Title	PMSM	-
RTT File	(JMAG-RT Model Data File B full  path)	-
Accuracy type	Spatial Harmonic
Input Signal Type	Voltage Signal
Iron Loss, Consider Iron Loss	Off
Offset, Angle (deg)	0	初始角度
Connection	Y-Connection	-
Phase Resistance (ohm)	Rph	-
Temperature, Use Temperature  Correction	Off	-
Connection	Y-Connection	-

表2-6-2 耦合控制模型元件（2）设置值

参数	设置	描述
Title	Control	-
Magnetic Field Step 1 time/	1 steps	指定电路计算和磁场分析的计算步数。对于运行相同次数的计算，设定为1步。
Start Magnetic Field Analysis	When Steady State Is Reached	选择[When Steady State  Is Reached]用于自动检测是否达到稳态，并进行磁场分析。
Value to monitor	5 Iu_rt	使用U相电流波形检测是否达到稳态
Frequency (Hz)	(Speed/60)* (Npoles/2)	为电机设置1个电周期的频率。
Tolerance (%)	5	如果当前值与1个周期值之差小于5%，则认为已达到稳定状态。
Stop Magnetic Field Analysis	Use from Step Control	在运行磁场分析时选择[Use from Step  Control]，直到分析时间结束。

2.7 运行分析

1)      右键 [Study]

2)      菜单中选择 [Run Active Case] from thecontext menu

3)      出现[Run Analysis]对话框，直至结束计算开始

2.8 分析结果

确认电流波形。要确认每个步骤的控制电路计算结果，请打开计算文件夹中的csv文件“Designer_Control_Circuit.csv”。

1)      右键点击[Study] > [Results]下面的[Graphs]，目录中选择[Show]

2)      选择[Line Options] 选项卡，并清除标题栏标志

3)      标记[Id_cmd]、[Id_pre]、[Iq_cmd]、[Iq_pre], 然后切换到[graph]选项卡（图2-8-1）

4)      确认 [Iu_rt]、[Iv_rt]、[Iw_rt] 的波形（图2-8-2）

5)  右键选择 [Study] > [Results] > [Graphs],目录中选择 [CircuitCurrent] > [Show]

6)      右键单击[Study]下面的 [Report] ，目录选择 [Messages]

7)      单击[Calculation Folder] [计算文件夹]超链接

8)      打开计算文件夹中的

'Designer_Control_Circuit.csv'

图2-8-1  dq轴电流及控制信号

可以确认DQ轴电流符合控制。跳过的FEA范围将线性补充并显示。0.03秒时确定为稳态，并进行有限元分析计算。

图2-8-2三相电流波形（JMAG-RT模型）

图2-8-3三相电流波形（FEA模型）

图2-8-4绕组焦耳损耗

图2-8-5 线圈漏磁

三、       参考文献

本文参考来源

https://www./products/jmag-designer/index_v180/

公司介绍：

艾迪捷有限公司（IDAJ Co., Ltd简称IDAJ），于1994年成立于日本横滨，是亚太地区最大的流体分析(CFD)、仿真技术咨询、综合CAE/CFD软件销售和技术服务商之一。主营业务为：为日本、中国、韩国、英国等国提供CAE咨询服务以及代理销售英国、美国、德国等世界一流的CFD、CAE软件。经过多年发展，公司目前已在横滨总公司之下开设了神户、名古屋、北京、上海分公司及英国办事处。

秉承IDAJ深厚的技术背景和先进的服务理念，艾迪捷信息科技（上海）有限公司（简称IDAJ-CHINA）于1997年成立，目前已经拥有国内顶尖的技术咨询团队，为国内外客户提供包括流体分析、电磁场分析、发动机性能匹配、多目标优化等全方位的CAE服务。公司客户遍及航空、航天、汽车、能源、家电、铁路、电子、船舶等行业以及众多知名高校和科研院所。

 公司网址：http://www./

更多最新精彩文章详见（点击进入）：

《西莫电机技术》2019年第2期重磅发布！西莫电子期刊编辑部荣誉出品！