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基于Python程序设计的PMSM气隙磁密分析
资料介绍
在利用ANSYS-Maxwell 2D对电机气隙磁密进行傅里叶分析的基础之上,设计了一款基于Python语言的计算程序。对ANSYS有限元仿真计算软件所生成的大量数据,该程序给出清晰直观的傅里叶分解下谐波的次数以及各个次数所对应的磁密幅值。以一台48槽8极的PMSM为例,用有限元分析的方法对其径向磁密分析仿真,再利用设计程序对仿真结果进行后处理,验证了程序的正确性、可靠性和直观性。最后,进一步分析了极弧系数对于径向磁密的谐波畸变率影响。
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| 基于Python程序设计的PMSM气隙磁密分析.pdf | 772K |
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esign and analysis
2017
45
12
卷第 期
年第
D
Python
PMSM
气隙磁密分析
基于
程序设计的
1
1
2
， ，
杜晓彬 黄开胜 蔡黎明
( 1．
，
广东工业大学 广州
510006; 2．
，
宁波供电局 宁波
315000)
－
:
要 在利用
ANSYS Maxwell 2D
，
Python
摘
对电机气隙磁密进行傅里叶分析的基础之上 设计了一款基于
语言
有限元仿真计算软件所生成的大量数据 该程序给出清晰直观的傅里叶分解下谐波的次
48 PMSM ，
为例 用有限元分析的方法对其径向磁密分析仿
。
ANSYS
，
的计算程序
对
。
8
数以及各个次数所对应的磁密幅值 以一台
槽
极的
， ， 、 。 ，
真 再利用设计程序对仿真结果进行后处理 验证了程序的正确性 可靠性和直观性 最后 进一步分析了极弧系
。
数对于径向磁密的谐波畸变率影响
: PMSM;
;
径向磁场 谐波畸变率
; Python
关键词
－ － －
: 1004 7018( 2017) 12 0010 04
: TM341; TM351
: A
中图分类号
文献标志码
文章编号
Analysis of PMSM Air Gap Flux Density Based on Python Program Design
1
1
2
DU Xiao-bin ，HUANG Kai-sheng ，CAI Li-ming
( 1． Guangdong University of Technology，Guangzhou 51006，China;
2． State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315000，China)
－
Abstract: Based on the Fourier analysis of air gap flux density of the motor with ANSYS Maxwell 2D，a program
based on Python was designed． The program given clear and intuitive harmonic number and the amplitude corresponding to
a large number of data of magnetic density on Fourier decomposition generated by ANSYS finite element method simulation
software． By finite element method，the radial flux density of the PMSM which has 48 slots and 8 poles was analyzed，and
processed by the design program，verified the correctness，reliability and intuitive of the program． The influences of the
embraces on the harmonic distribution of the radial magnetic density was analyzed．
－
Key words: permanent magnet synchronous motor ( PMSM) ; radial magnetic field; total harmonic distribution; Py-
thon
， ，
能 而且具有其他语言没有的强大的可移植性 可以
0
引 言
［5］
。
实现在各个平台直接复制使用
本文的程序开
，
随着永磁材料性能的提高 以及电机设计和控
Python，
以实现更加广泛的使用
。
发直接基于
杜
， 。
制技术的提升 永磁电机应用范围逐渐广泛 其中
，
晓
48
8
PMSM
极表贴式磁钢的 为
本文以一台
Python
槽
彬
(
永磁同步电动机 以下简称
PMSM)
、
具有体积小 结
，
例 应用
，
语言进行程序设计 验证了程序的
等
、 ，
构简单 功率密度高的特点 被大量应用于生产实践
，
正确性 研究了极弧系数对电机气隙径向磁密谐波
基
［1］
。ANSYS
，
有限元仿真采用有限元离散形式 将
中
。
畸变率的影响
于
，
电磁场计算转化为矩阵求解 保证了计算的准确性
1 PMSM
的气隙磁场谐波分析
，
和快捷性 通常采用
ANSYS
有限元仿真软件对电机
程
［2］
。
进行仿真计算以及设计
它提供的快速傅里叶
PMSM
， m
的原理 当电机通以对称的 相交
根据
序
设
PMSM
分解工具可以对
气隙磁密径向分布进行快
，
流电流 定子在气隙中产生基波磁动势以及一系列
计
－
［6 8］
的
， 。 ，
速分析 为用户提供了方便 然而 进行快速傅里叶
、
不同次数 幅值以及转速的谐波磁动势
。
转子
分解分析的结果可能会出现低次的谐波幅值比基波
磁钢则在气隙中产生基波磁动势和一系列的谐波磁
－
［3 4］
，
幅值大的情况 影响直观判断
，
因此有必要开发
。 ， ，
动势 当定子上开槽 转子磁钢为表贴式时 气隙磁
气
隙
FFT
，
分析数据进行后处理 以直观的图
设计软件对
， ，
导除了平均磁导 还有一系列的磁导谐波分量 定转
磁
。
表形式展现傅里叶分析的结果
密
。
子磁动势以及气隙磁导相互作用产生了气隙磁场
分
Python
，
语言是一种功能强大的开源编程语言
析
PMSM
气隙中基波磁动势与平均气隙磁导相互
C
相对于 语言和
Java，VB ，Python
等其他编程语言
=
－
ω
，
作用 产生基波磁场
b
B cos( p
p
t) ，p
为电机
θ
p
1
1
、
可以通过录入 调试更加少的代码来实现相同的功
， ，
极对数 ω 为电流的角频率 θ 为定子空间的圆周
1
1
10
。 ，
角坐标 可以看出 基波的极对数为
p。
－ －
: 2016 11 13
收稿日期
设计分析
2017
45
12
卷第 期
年第
esign and analysis
D
z
Python
，
语言 以图表的形式直
程序基于语言简洁的
=
PMSM
q
，
为整数时 定子
当
每极每相槽数
2pm
，
观地表示出各次谐波以及对应的谐波幅值 并快速
=
: b B cos( V
ν
－
θ
1
绕组空间产生的谐波磁场表达式
，
计算出该波形的谐波畸变率 节省了对波形数据处
p
ν
=
+
( 2mk 1) p，z
t) ，
谐波极对数为
V
，p
ω
为定子槽数
。
理的时间
1
p
=
，k 0，±1，±2，±3，±4，…。
，m
为极对数 为电机的相数
2． 2． 1 Python
程序设计内部流程
－ －
1，5，7，11，
48
8
PMSM，
谐波次数为
对于三相
槽
极
1
本程序设计的主要模块如图 所示
。
－
13，17，19，…。
PMSM
，
定子开槽 基波磁动势
由于
，
作用于气隙磁导谐波产生齿谐波磁场 该磁场次数
z
=
v ( k
+
= +
1) p kz p，z
=
，k ±1，±2，±3，
为定子槽数
为
p
±4，…。
，
由此可见 三相
48
8
PMSM
极 一阶齿谐
槽
－
11，13。
波次数为
1
Python
设计程序的模块示意图
图
Python
3 。
程序分析流程主要有 个模块 第一模
2
Python
有限元仿真和
程序设计
p、
块是对电机参数包括电机极对数 定子内径
D 、
转
1
－
2． 1 ANSYS Maxwell 2D
分析气隙磁场谐波
B ( ，t)
是
D
子外径
解数据
。
的读取和对气隙径向磁密快速傅里叶分
2
PMSM
，
在
中 电机的径向气隙磁场
θ
r
Data． csv
。
的读取 该模块是程序分析的前
， ，
沿着气隙圆周分布的 它是时间与位置的函数 可以
Data． csv
D
中的 换算成谐
提
第二模块是将数据
，
在电机气隙中取一个固定时间点 并取沿着气隙一
。
波的次数 通过用户给出的谐波次数以及幅值的
。
周的路径进行计算
， 、
筛选条件 在大量的谐波中筛选出次数比较小 幅值
－
ANSYS Maxwell 2D
，
仿真软件计算中 气隙径向
。
比较大的谐波 该模块是程序分析的主要部分
。
第
:
磁密表达式
，
三模块是对处理完成的结果进行输出 输出内容为
=
+
B
B cos
X
B sin
Y
( 1)
θ
θ
r
THD
。
隙磁密谐波畸变率
值以及谐波幅值柱状图
: 。
: B
x
为磁密沿着 轴的分量
; B
y
为磁密沿着
式中
X
Y
，
其中 程序的各个模块具体流程叙述如下
。
轴的分量 根据式
( 1) ，
沿着该圆周可以绘制出横
( 1)
变量定义部分
，
坐标为空间位置 纵坐标为径向磁密的波形图
。
一
8 ，
程序包含了 个变量的定义 包括电机极对数
般在工程技术上取该圆周半径为定子内径与转子外
p、
定子内径
D 、
转子外径
1
D 、
2
R、
圆周半径 谐波极对
， :
径的均值的一半 即
v 、
p
n、
谐波次数 筛选谐波次数限定值
n 、
筛选谐
c
数
+
D
D
1
2
n 。
m
，
其中 为了计算结果有较高的精
波幅值限定值
=
R
( 2)
4
， 、 、
度 将定子内外径 圆周半径 筛选谐波幅值限定值
杜
晓
－
ANSYS Maxwell 2D
由
提供了对波形图进行快
float
， int
数据类型 而其他参数则设置为 数
设定为
彬
FFT，
可以将
B
波形图分解为
r
速傅里叶分解的工具
。
据类型
等
，
各次谐波以及对应的磁密谐波幅值大小 并表示为
( 2)
Data． csv
读取
数据文件部分
基
于
d，
横坐标为空间位置 纵坐标为谐波幅值的傅里叶
，
该部分主要对应第一模块第一步 对傅里叶分
。 ，
分解图 其中 空间位置所对应的谐波极对数以及
， 。
解的数据进行读取工作 是程序分析的前提 由于
:
次数分别是
－
ANSYS Maxwell 2D
Data．
导出的原始数据文件
从
程
序
是以列表格式展现的 即第一列为空间位置数
×
2 R
π
D
csv
，
=
( 3)
ν
设
p
1000
， ，
据 第二列为谐波幅值数据 故需要对数据文件进行
计
的
ν
。
读取并对数据表格执行按列拆分功能 在程序中使
p
=
n
( 4)
p
with open( file，＇r＇) as stream
。
用
命令实现以上功能
: v
; n
为谐波极对数 为谐波次数
。
v
当 为分数
式中
气
( 3)
读取电机参数部分
p
隙
， ; n ，
时 谐波为间谐波 当 为整数时 谐波为整数次谐
。
该部分主要对应第一模块第二步骤 主要读取
磁
密
。
波
p、
输入的电机极对数 定子内径
D 、 D 。
转子外径
2
1
分
析
2． 2 Python
程序设计
ANSYS Maxwell 2D
( 4)
计算部分
－
为了简化对
快速傅里叶分
。
该部分对应第二模块的第一步骤 首先按照公
，
析的数据处理 以直观方便的形式从快速傅里叶分
( 2)
R，
计算该电机模型的气隙圆周半径 其次按照
式
11
，
解的数据中筛选出用户想要的结果 开发了本程序
。
( 3)
( 4)
将读取的空间位置数据依次换算成
式
与式
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