電子發燒友App
永磁同步電機在傳統工業中有著廣泛的應用場景，正常工作狀態下，永磁同步電機轉子旋轉軸心、幾何軸心應和定子軸心相同，但也會因為一些工藝或者安裝問題，使得電機處在偏心運動的工況下；同時近些年隨著電動汽車的快速發展，永磁同步電機廣泛應用在電動車上，由于較大的簧下質量，長期承受劇烈的車身載荷及路面激勵，使得電機出現軸承磨損、轉軸彎曲現象，造成定轉子不對中，氣隙分布不均勻，這種情況稱為電機偏心。 ?
轉子偏心故障可分為靜偏心故障、動偏心故障等。產生靜偏心的主要原因是即定轉子不同軸心，造成動偏心的原因是轉軸彎曲或軸承損壞等。靜偏心故障是電機普遍存在的故障，靜偏心相當于轉子旋轉中心從定子中心向某個方向偏移，使轉子在此方向相對于定子偏心，定、轉子間氣隙發生變化，這種氣隙偏心固定在某一位置，它不隨轉子旋轉而改變位置。動偏心故障也屬于電機常見的故障類型，動偏心相當于轉子中心從定子中心向某個方向偏移，但轉子旋轉中心沒有偏移，這種氣隙偏心隨轉子轉動而轉動。
在電機發生偏心的情況下，氣隙磁場并不對稱，以等效電路為基礎的經典算法將不再適用，為此建立電機的有限元模型，基于瞬態磁場的計算結果，給出不同故障類型下的氣隙磁場以及轉矩曲線變化特征。
本文將以某一永磁同步電機模型為例，詳細描述基于Altair Flux軟件進行永磁同步電機的轉子靜、動偏心工況的設定分析，并進一步評估偏心問題帶來的問題。本文所有分析操作基于Flux & FluxMotor2022版本進行。
1?電機轉子偏心分類
對于電機轉子偏心問題來說，總體可以分為：靜偏心、動偏心以及混合偏心三類問題。其中，靜偏心問題可描述為轉子幾何中心與電機定子模型中心有一定偏移，轉子的旋轉中心與其幾何中心重疊；對于動偏心而言，同樣幾何中心有一定的偏移，但是轉子的旋轉中心與定子的幾何中心重疊；混合偏心問題，是前兩者問題的疊加，即轉子有自身旋轉軸的自轉，同時轉子也圍繞著定子的幾何中心公轉。
靜偏心
動偏心
混合偏心
2?快速生成永磁同步電機有限元分析模型
通過FluxMotor可以快速建立永磁同步電機的2D磁場有限元分析模型，并直接轉換生成Flux2D模型腳本文件（*.py），然后通過Flux2D運行該py腳本文件即可獲得包含永磁同步電機模型、網格以及物理設置的有限元模型文件。有關如何通過FluxMotor快速建立生成電機模型的步驟請參考FluxMotor部件生成的相關文檔。
2.1??FluxMotor中快速建立永磁同步電機模型
本文以一8極48槽內置式三相永磁同步內轉子電機為例，其基本拓撲參數為：
| 定子外徑（mm） | 定子內徑（mm） | 轉子外徑（mm） | 轉子內徑（mm） | 等效軸長（mm） |
| 264 | 161.9 | 160.4 | 110 | 180 |
轉子采用FluxMotor軟件自帶零件模板imi_VBlock_01A，詳細參數設置如下圖所示：
?
? 定子采用FluxMotor軟件自帶零件模板os_Free_03A，定子槽結構尺寸參數如下圖所示：
? 定子繞組采用三相星接連接，節距為5，單層繞線方式，并聯支路數為2，單個線圈匝數為13，FluxMotor中相關參數設置如下圖所示：
?
? 示例中模型磁鋼及定轉子材料采用軟件自帶材料模型，磁鋼采用NdFeB_1230_1400，定轉子硅鋼片采用M330_35A。
? 至此，FluxMotor中永磁同步電機基本模型建立完成，可點擊TEST進行電機相關性能快速評估，本文不作詳述。由于偏心問題是一類故障問題，需要對轉子的旋轉位置進行編輯修改，因此需要首先將FluxMotor生成的模型轉至Flux2D。
2.2??FluxMotor電機模型輸出至Flux2D
點擊EXPORT>FLUX2D，選擇Transient中的I-φ-N，設置相關的工況計算參數（后續Flux分析中會進行修改），選擇Flux2D腳本文件保存目錄，點擊Export model按鈕。
?
?
在目標文件夾生成的*.py文件。
? 點擊Flux Supervisor管理界面，選擇2D，左側欄目選擇“Python scripts”，并將工作目錄定位至上述生成的*.py腳本文件處，點擊選擇該腳本文件，點擊Run the selected script按鈕，生成永磁同步電機Flux2D有限元分析模型，并進行保存。
?
3?永磁同步電機（PMSM）偏心工況及計算
3.1?電機有限元模型靜偏心工況設定
將上述Flux2D模型打開得到的是正常工作點情況下的模型，對于靜偏心問題，需要將上述電機模型進行電機偏心設置編輯，其中包括兩部分，第一部分是轉子幾何模型的偏心問題，第二部分是旋轉物理設置。
先是刪除網格，然后對電機的轉子幾何模型進行平移操作。對于從FluxMotor導出的.py參數化永磁同步電機模型而言，轉子模型上的幾何點是主要是根據_IM_CART和_IM_POLAR兩個坐標系定義的，其中前者為直角坐標系，后者為極坐標系。要對永磁同步電機進行偏移，只需要對這兩個坐標系進行編輯即可。在此文針對靜偏心問題，對兩個坐標系進行DX、DY偏移量的定義。
首先是將現有參數化永磁同步電機的滑移邊界弧線以及點的相對坐標系從_OS_CART統一改為_IM_CART。
?
? 右擊Geometry > Geometric tools >Transformation > _AG_AIRGAPROT，將坐標系從_OS_CART改為_IM_CART。
? 點擊Geometry > Geometric tools > Geometricparameter > New, 創建DX、DY變量。
?
按住Ctrl, 選擇Geometric parameter > Coordinate system > _IM_POLAR以及_IM_CART，右擊edit array。
?
?
操作后轉子整體的幾何橫坐標偏移了0.25mm。
這里需要注意偏移量DX、DY的最大值需要注意可能會出現幾何干涉問題。
最后進行靜偏心的機械設置修改和物理屬性設置。首先是通過Physics > Mechanical set >Rotor編輯，修改旋轉中心為_IM_CART。
? 完成此步驟后，即完成了永磁同步電機的靜偏心工況設置。
3.2?靜偏心工況設定
創建工況計算，Solver > Solving scenario > New, 工況計算中選擇至少一個，在Control of parameters選擇偏移量DX、DY進行偏移參數化計算。激活“Parametric distribution”選項可以利用Flux參數化分布式計算功能，加速多參數掃描分析過程。
3.3?數據后處理
計算完成后，在左邊的Generaldata > Post processing > Curve > 3D curve(2 I/O parameter)獲取轉子靜偏心電磁轉矩曲線。
?
?
? 分析靜偏心齒部電磁力，點擊Parameter/Quantity > Sensor> New,創建偏移后最近和最遠定子齒部電磁力計算。General data > Post processing> Curve > 2D curve(2 I/O parameter)獲取兩端電磁力曲線。
?
?
?
3.4?電機有限元模型動偏心工況設定
關于動偏心的設置，文本將討論兩種設置實現的路徑：
1）從靜偏心工況轉入動偏心工況設置：
相對于靜偏心旋轉中心為轉子的幾何中心來說，動偏心的旋轉中心是定子的幾何中心。在軟件中，只需要將基于靜偏心模型轉子旋轉的運動設置進行修改為圍繞定子幾何中心旋轉的設置方式，但同時由于動偏心轉子對空氣擠壓，需將定子側空氣改為可擠壓的運動方式。
?
?
2）從FluxMotor導入的.py文件開始進行動偏心工況設置：
首先刪除模型網格，進入sketch對模型轉子進行偏移設置，這里偏移設置和靜偏心轉子幾何偏移一樣，唯一區別在于滑移邊界圓模型不需要進行偏移設置。（需要注意的是偏移量DX、DY的最大值上可能會出現模型幾何干涉問題，需確保滑移邊界圓足夠包含偏心模型）
步驟同樣是建立幾何偏移參數DX、DY（參考文中操作），對坐標系_IM_CART和_IM_POLAR進行偏移設置，即完成了所有的動偏心設置。
? 不過在動偏心上由于轉子的中心旋轉軸在電機幾何中心處，其一個周期的仿真是一個機械周期，這里在設定求解時需要注意，即機械角度0°至360°。
? 同樣，計算完成后，在左邊的General data > Post processing> Curve > 3D curve(2 I/O parameter)獲取轉子動偏心電磁轉矩曲線。
? 點擊General data > Post processing > Curve> 2D curve(2 I/O parameter)獲取轉子動偏心電磁轉矩曲線，雙擊生成曲線獲得具體的轉子轉矩信息。
4?結論
本文主要介紹了電機偏心問題的類型，以及如何利用Flux軟件設置永磁同步電機動偏心和靜偏心工況所需要的設置和偏心的后處理過程，能夠適用于電機設計前期對偏心故障模式下電機運行特性及相關性能的估算。本文在基于電機二維模型的動偏心模式的設置包含了compressbile的運動模式（實現路徑A），這是基于靜偏心模型修改了轉子空氣氣隙的幾何中心后所需要的設置條件，如果根據動偏心旋轉空氣適當調整，將動偏心旋轉空氣幾何中心與定子幾何中心重合，則定子側的空氣運動模式可從compressible模式改為fixed模式，加快計算速度（實現路徑2）。
編輯：黃飛
?
工商網監
評論