JMAG在電氣工程系電力電子與電氣傳動方向的應用

袁登科 牙生·合力力

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

【關(guān)鍵詞】有限元分析 轉(zhuǎn)矩脈動 磁性元件

【基金項目】文章得到同濟大學實驗教學改革專項基金資助。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）04-0212-02

交流電氣傳動系統(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，隨著人們對該系統(tǒng)認識的逐步深入，需要采用有限元分析軟件對系統(tǒng)中的磁性元件、交流電機等進行更加深入的研究。

目前市場上針對電機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)的針對電磁場研究分析的軟件，主要應用于各種電機仿真設(shè)計與電磁設(shè)備的磁場分析，具有良好的工作界面、精確且高速的分析計算以及開放的接口界面等優(yōu)勢。

一、JMAG軟件特點

（1）簡單高效的網(wǎng)格剖分

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

（2）靈活多樣的材料庫

軟件包含空氣、線圈、非磁性材料、各向同性電工鋼材料、永磁體等七種類型材料。

（3）強大的耦合計算功能

可以模擬電機內(nèi)部應力、熱等實際物理變化過程。

（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入功能。

（5）擁有鐵耗與電感計算等多個專題分析工具

（6）與驅(qū)動電路軟件的接口

軟件含有常見的電路元件，如電阻、電感、電容、電源、繞組、電刷等，能滿足一般的驅(qū)動電路連接；還提供與專業(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）有限公司進行國內(nèi)代理，在業(yè)界的應用與影響力越來越廣泛。

二、JMAG在電力電子與電氣傳動方向的應用

1.磁性元件分析

以電動汽車為例，車載蓄電池的充電中往往采用帶有APFC功能的充電機。車載有源功率因數(shù)校正電路中的磁性元件——電感器是一個關(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APFC中的電感器進行FEA建模，以便更準確的分析銅耗與鐵耗；分析磁場分布情況從而可以設(shè)計合理的磁屏蔽；分析不同匝數(shù)、材料和位置的繞組對磁場的影響以及繞組和磁芯的發(fā)熱情況。

2.電機性能分析

應用JMAG建立電機的有限元模型與性能分析的主要步驟如下：創(chuàng)建電機幾何模型；定義電機不同區(qū)域材料；定義電機運動部件、運動邊界、繞組等條件；定義電機繞組及外部電路；設(shè)置電機網(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給出了對永磁同步電動機進行JMAG二維有限元建模后，得到的齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果，采用適當角度的斜槽將有助于降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動。

圖1電機齒槽轉(zhuǎn)矩脈動仿真結(jié)果

3.實時仿真

JMAG的實時仿真功能組件JMAG-RT可以建立對象的高精確度計算模型。它以數(shù)值計算為基礎(chǔ)，求解速度非常快；同時，它是基于FEA的計算，所以仍會考慮到電機損耗、飽和非線性、齒槽轉(zhuǎn)矩等，從而保證較高的準確度。

JMAG-RT可在系統(tǒng)級仿真中為電磁裝置提供一個更準確的計算模型。目前，電動汽車電氣傳動系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真（HILS）中經(jīng)常會使用JMAG-RT模塊，該模塊提供了虛擬的電機模型。HILS的主要優(yōu)點體現(xiàn)在：

①測試的極大靈活性

對于電機廠家，不需要自己做控制電路模型，并且可以方便地對比測試不同控制器的性能差異，以便更好的與電機配套；對于控制器廠家，可以更好的驗證電氣傳動系統(tǒng)的可靠性。

②提高測試效率

HILS通常是實時仿真，計算時間遠遠小于軟件在環(huán)計算。

三、結(jié)束語

文章結(jié)合電力電子與電氣傳動系統(tǒng)，介紹JMAG軟件功能與特點，給出了軟件在磁性元件、電機性能分析、實時仿真等方面的應用。

參考文獻：

[1]袁登科.JMAG在PMSM電磁有限元分析中的應用，機電一體化，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的研究與設(shè)計，電工電氣，2014，2：17-20

[3]http：//www.idaj.cn

作者簡介：

袁登科：講師，博士，同濟大學電氣工程系。

牙生·合力力：本科生，同濟大學電氣工程系。