7.4.2 发电机的瞬态场仿真

JMAG-Designer软件求解瞬态电磁场问题时，一般分为建立模型、设定材料、设定边界条件、网格划分、设置求解选项、有限元求解和后处理场图及参数提取。利用线圈励磁方式的旋转电枢式同步发电机，是一种集控制和电机本体于一身的一体化电机，对于这种电机的分析不仅需要对其磁场进行计算，还需要对其控制电路进行分析。JMAG-Designer中2D瞬态磁场模块适用于分析这种电机，可以计算各时间点的磁场分布，还可以引入外部控制电路来控制绕组励磁的通、断。

下面按照使用步骤对液冷式自励缓速器发电机电磁仿真过程进行详细说明。

1.建立模型

图7-17a给出了发电机电磁场分析模型，图中定子内径R₁=112mm，定子外径R₂=135mm，转子外径R₃=162mm，励磁绕组匝数W_f=38，电枢绕组匝数W_d=15，发电机磁极数N=12。由于使用周期边界条件，因此只分析整体模型的1/12就可以了。参考车辆传动轴的转速，发电机转子以n=750～2000r/min转速运动。图中FGHI区域设置为静止部件；而定子及所占内部空气部分，即DEFG区域设置为运动部件。

图7-17 发电机电磁场分析模型

a）电磁场分析模型 b）2D仿真几何模型

图7-17b中所示的是在图形编辑模块界面中建立的模型。几何模型建立完成后，绘制如图7-18所示的发电机2D瞬态场路耦合模型，分别指定电路图中线圈所对应的电枢绕组，并在对话框中设定励磁绕组的匝数及电流。在图7-18中，缓速器线圈简化为发电机负载电阻R_L，通过电流表A读取负载电流I_d，电压表V₁、V₂的差值为负载端电动势。仿真发电机的空载特性时，去掉负载电阻R_L，计算电压表V₁和电压表V₂的电动势，空载电压U=U₁-U₂。

图7-18 发电机2D瞬态场路耦合模型

2.赋予材料

在求解电磁场和温度场问题时需要提供材料性能。JMAG材料库中有日本JFE、Nippon等硅钢片厂商的磁化曲线以及损耗曲线、硅钢片的电导率等，特别是损耗曲线，有多个频率，如50Hz、60Hz、100Hz、200Hz、400Hz、1000Hz、2000Hz、5000Hz、10000Hz；另外，JMAG材料库也允许用户添加其他材料曲线，通过材料编辑器完成对该材料性能的输入。对液冷式自励缓速器发电机进行2D瞬态仿真时，硅钢片选用牌号为50JN310的材料，其磁化曲线如图7-19所示，并设置叠压系数为90%。通过如图7-20所示的界面为发电机定子、转子赋予材料。

图7-19 50JN310材料的磁化曲线

图7-20 材料赋值界面

3.边界条件及网格划分

在任何情况下，边界条件的设置都应该利用对称性这一特点来减小求解问题的规模。在分析发电机时，一般会用到两种边界条件：一种为反周期旋转边界（Rotation Antiperiodic Boundary），这种边界要求场的切向分量为零；另一种为对称边界（Symmetry Boundary），这种边界要求场的法向分量为零。应用这两种边界条件，可以极大地减小求解问题的规模。此处1/12发电机模型仿真采用反周期旋转边界，如图7-21所示。

材料出现磁饱和时，漏磁通会增大，所以在划分网格时，必须考虑周围的空气，包括静态空气区域和动态空气区域。网格模型一般设置成定子半径的1.05～1.5倍。常用的网格控制参数之一是最大单元尺寸（Element size），通过设置不同数值来改变网格的密度。将发电机定子、转子最大单元尺寸设置为1mm，空气气隙设置为2mm。对气隙边界网格划分进行细化，选择气隙边界并设置最大单元尺寸为0.5，网格划分结果如图7-22所示。(https://www.daowen.com)

图7-21 设置反周期旋转边界

图7-22 网格划分结果

4.设置求解选项

求解选项的设置主要包括模型轴向长度设置、求解步长、求解时间以及非线性计算等。如图7-23所示，在JMAG-Designer 2D瞬态磁场求解中，可直接给定模型的实际长度，此处发电机轴向长度为94mm。计算步长的含义是在1s内计算6400次，计算和保存其中121次的数据。在非线性模型中，求解时外层迭代环被初始化，以便使线性化方程组得到求解。当该过程结束后，需要指定牛顿迭代公差以及最大牛顿迭代次数。牛顿迭代公差越小，结果越精确，但也越耗时。发电机在此处求解中，最大非线性迭代次数设置为50，收敛公差设置为0.001。

图7-23 求解选项设置界面

5.求解及后处理

设置完上述参数并求解后，通过使用一系列后处理工具可从系统中获取计算结果。图7-24和7-25分别为求解后的空载磁场分布云图和负载磁场分布云图。

图7-24 空载磁场分布云图

图7-25 负载磁场分布云图

如图7-26所示，通过在模型中的气隙处读取曲线上的磁场强度，可以得到如图7-27所示的发电机空载气隙磁通密度曲线。

图7-26 气隙处曲线示意图

图7-27 发电机空载气隙磁通密度曲线