基于JMAG軟件的永磁電機仿真分析

曾國輝 孫北能 羅一聰

【摘 ?要】JMAG是一款功能齊全、應(yīng)用廣泛的電磁場分析軟件，可以對不同領(lǐng)域的不同電機、電磁設(shè)備進行精確的電磁場分析，這里主要介紹JMAG軟件對永磁電機的結(jié)構(gòu)分析，并對其進行仿真校核，根據(jù)電機的振動、噪音等情況進行解析，電機仿真分析是電機設(shè)計與設(shè)計優(yōu)化可靠的依據(jù)及基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】JMAG軟件;電機仿真

近年來，釹鐵硼永磁材料性能不斷提高，價格隨著性能提高確反而有所下降，永磁電機普遍運用于國防、醫(yī)療、家用電器、新能源汽車等領(lǐng)域，而其永磁材料絕大部分是釹鐵硼，目前永磁電機往大功率化、輕量化、高速化、集成化等方向發(fā)展，是非常具有發(fā)展?jié)撃艿囊环N高功能設(shè)備，較于傳統(tǒng)電機它兼具的優(yōu)勢是多方面的，比如①由磁鋼直接產(chǎn)生氣隙磁密，結(jié)構(gòu)在一定程度上簡化，運行更可靠、穩(wěn)定;②轉(zhuǎn)子損耗更低，電機可以達到盡量寬的高效率區(qū)間;③調(diào)速范圍寬;④轉(zhuǎn)動慣量小;⑤電機體積更小，具有更高的功率密度及轉(zhuǎn)矩密度。

一、JMAG軟件

JMAG軟件來自日本總研（JRI）開發(fā)的一款電磁場分析軟件且其功能非常齊全，在各國對其運用非常廣泛。

（一）JMAG軟件優(yōu)勢

1.操作界面非常人性化

JMAG將前后處理和運算界面聯(lián)結(jié)一塊，在操作上變得更加方便、簡單、易把握，用戶在短時間內(nèi)就可以進行電機基本性能的模擬培訓(xùn)，這樣可以節(jié)省很多時間與人力資源;

2.網(wǎng)格剖分方便

JMAG軟件可以根據(jù)用戶的實質(zhì)需求情況進而提供不同的網(wǎng)格剖分，得到高精度剖分;

3.應(yīng)用范圍廣

JMAG軟件可以對不同領(lǐng)域的不同電機、電磁設(shè)備進行精確的電磁場分析，為用戶提供電機設(shè)計及設(shè)計優(yōu)化幫助，縮短研發(fā)周期;

4.建模快捷方便，材料庫齊全，模型精確高

無論任何復(fù)雜情況，JAMG能精確的創(chuàng)建與電磁場有相關(guān)的復(fù)雜模型，它具有巨大的各種不同材料數(shù)據(jù)庫以及擁有一套完善的各類劃分工具，JMAG軟件還可以引入許多其它軟件比如CAD、Solidworks、Pro/E、UG、CATIA等的模型。保證產(chǎn)品在進行分析時得到準(zhǔn)確結(jié)果，那么完整以及精細的電機模型是相當(dāng)重要的，模型的精確性如果越高，那么所得的結(jié)果包含在模型尺寸以及屬性上的輕微差異的可能性就會越高;

5.求解器眾多，快捷方便

JMAG軟件具備各類電磁、溫度以及仿真等眾多的求解器，可以快捷、精確得出電磁場分析結(jié)果。

（二）快速的求解器

在進行模型仿真分析時，計算速度是用戶的重點考慮因素。而在設(shè)計模型的流程中，有了快速的求解器作為前提，就可以在被限制的時間內(nèi)，容許有更多的要素被商討。同時，設(shè)計模型的流程中存在繁雜的參數(shù)，參數(shù)越多越有利，利用其作為條件，就可以商議更多的設(shè)計方案，有諸多的方案，代表有更多的選擇，進而從中選擇一個最佳牢靠的設(shè)計。而JMAG軟件的快速求解器正是可以達到精確、可靠的設(shè)計要求，求解器速度的大小還影響著產(chǎn)品的精確性，同時，快速的求解器可以保證產(chǎn)品的高效性。可想而知，求解器的速度是與我們所獲得產(chǎn)品的精確性與高效性是密不可分的。當(dāng)今市場產(chǎn)品競爭激烈，打造高效的產(chǎn)品與提高產(chǎn)品質(zhì)量才能尋求發(fā)展空間。當(dāng)下，JMAG軟件是運用最新的計算技術(shù)，所以得到了相對于其他求解器達不到的計算速度，其促使JMAG求解器能夠完成復(fù)雜的尺寸與比較大型的3D模型的計算。另外，JMAG軟件選用了更強大的、快速的、且穩(wěn)定的迭代求解器，它是通過應(yīng)用很多臺計算機一同解決相對復(fù)雜的實際問題，進而節(jié)省了用戶大量的計算時間。

二、JMAG電機仿真流程

1.創(chuàng)建幾何模型

在JMAG 軟件中有很多種方法進行建模，主要有以下3中方法：

①在GeometryEditor上進行繪制;

②在JMAG-Express里建立相關(guān)參數(shù)進行建模;

③利用通CAD導(dǎo)入的方式進行建模。

2.定義材料

定義材料，即把對應(yīng)材料的物理屬性放在建好模型相應(yīng)的位置，可以通過劃分工具在JMAG材料數(shù)據(jù)庫中直接選取，也可以自行新建材料，或在原材料基礎(chǔ)上編輯輸入不同的材料屬性。

3.定義條件

定義條件以下面三個為主：

①電機運行模式;

②電機線圈電流方向;

③電機的邊界條件。

4.定義電路

對電機電路連接形式以及電路限制方向進行設(shè)置。

5.網(wǎng)格劃分

將已建好的模型進行網(wǎng)格剖分，有助于有限元的快速計算。

6.分析計算

利用計算機把建好的電機模型進行計算的一個過程。

7.查看結(jié)果

對計算機計算出電機的仿真參數(shù)進行檢查和分析。

根據(jù)本文所要探究的基于JMAG 軟件的建模仿真內(nèi)容，那么，選擇電機參數(shù)就要根據(jù)下面幾點。

（一）極對數(shù)

公式n=60f p，n代表電機的轉(zhuǎn)速;p代表電機極對數(shù);f代表電機工作頻率;根據(jù)公式可以知道電機的轉(zhuǎn)速n是由電機的極對數(shù)p以及電機工作頻率f兩者大小決定的，而頻率越高，單位鐵芯材料的鐵損也越高，需要根據(jù)電機轉(zhuǎn)速合理選擇電機極對數(shù)以及相應(yīng)的電機工作頻率。

（二）永磁體尺寸

永磁電機由磁鋼直接產(chǎn)生氣隙磁密，永磁體尺寸對電機氣隙磁密大小產(chǎn)生決定性的影響，具體永磁體尺寸要根據(jù)電機的具體性能條件情況而定，一般永磁體的厚度是電機氣隙長度的5～10倍，永磁體寬度為電機極距的0.5～0.8倍。

（三）永磁電機的極弧系數(shù)

永磁電機的極弧寬度與極距兩者的比值為極弧系數(shù);極弧系數(shù)的大小是由永磁電機磁場的曲線分布情況而定，勵磁磁勢的曲線分布情況就決定了極弧系數(shù)的大小;在進行極弧系數(shù)的選擇時應(yīng)當(dāng)讓勵磁磁勢的波形接近于正弦波。

三、仿真分析

（一）永磁電機的共振

系統(tǒng)共振有很多頻率點，而特征頻率產(chǎn)生于一個維持其正常工作時呈現(xiàn)出最低與最高的點，就是通常說的截止頻率。特征頻率的每一個值都極有可能引起系統(tǒng)共振的頻率點，這些頻率點越多越不利，如果系統(tǒng)一旦出現(xiàn)共振的情況，那么整個系統(tǒng)將會發(fā)生結(jié)構(gòu)形變，結(jié)構(gòu)形變的覆蓋面很大，從而導(dǎo)致所做的產(chǎn)品失效。其實，在進行振動分析的目的就是為了盡可能的避開出現(xiàn)的特征頻率點。

（二）永磁電機的振動和噪聲

JMAG 軟件的仿真精度高，它能仿真出永磁電機里每一個部件的振動位移以及振動速度，還有振動加速度，同樣也能仿真出產(chǎn)品里每一個區(qū)域聲壓級的分布情況。下面淺談電機振動的缺陷或危害：

1.振動需要消耗更多能量，進而導(dǎo)致電機的工作效率下降;

2.發(fā)生振動時，它會對電機的軸承造成損傷，從而加大電機軸承的磨損速度，降低軸承的壽命周期;

3.振動也對其他元器件或設(shè)備的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生損害的情況。

（三）電機振動的產(chǎn)生主要有三個來源：

1.電磁方面，主要是由電源、定子和轉(zhuǎn)子故障所產(chǎn)生，因交變電磁力的作用下，引起電機的定子、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生振動。

2.機械方面，主要是由電機本身以及聯(lián)軸器配合所產(chǎn)生;

3.機電混合方面，空氣噪聲，空氣噪聲有來自轉(zhuǎn)動部件與空氣發(fā)生摩擦而發(fā)出的噪音，機械噪聲加上電磁噪聲，這些都是產(chǎn)生振動且伴隨噪音的來源。

（四）減少噪聲的策略

1.合理選取定子槽型、轉(zhuǎn)子永磁槽型，降低諧波分量;

2.采用斜槽，定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極;

3.合理選用軸承、軸承油脂及軸承油隙;

4.合理設(shè)計電機零部件公差及配合精度;

5.提高轉(zhuǎn)動部件動平衡精度及表面光潔度。

四、結(jié) 論

通過JMAG 軟件的來源與仿真介紹，了解其作用以及分析電機的共振、電機振動與噪聲的危害，然后進行刨根問底后，理解產(chǎn)生緣由并簡單列出相應(yīng)的對策，分析這些情況將對電機設(shè)計與設(shè)計優(yōu)化有著重要的參考價值。

參考文獻：

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[2]蔣麗萍.交流永磁電機的控制仿真研究[D].華中科技大學(xué)，2012.

[3]李相盈.基于JMAG軟件的永磁電機的結(jié)構(gòu)分析[J].通信電源技術(shù)，2017（4）.

（作者單位：佛山市順德區(qū)金泰德勝電機有限公司）