基于FEMM的永磁电机动态冻结磁导率并行仿真及程序

(EXPLOSION-PROOF

ELECTRIC

MACHINE)2021年第3期第56卷（总第220期）基于FEMM的永磁电机动态冻结磁导率

并行仿真及程序邱小华-徐飞-尹华杰2(1广东美芝制冷设备有限公司，广东佛山528399；2华南理工大学电力学院，广东广州510640)摘

要

针对动

冻结磁导率功能，分

FEMM

冻结磁导率

的

，编制了

1眼脚本，以

制磁场有限元仿真软件FEMM按给定的转角步长修改永磁电机模型的定转子相对转角、

参数，利用FEMM的

场

、永

、电

，达

动态冻结磁导率的效果;并用Octave或MaUb异步运行多个FEMM实例，将定转子相对转角的变

&

分为多段，每段分配给不同的!关键词

永磁电机；动

;冻结磁导率'并行计算；FEMMDOI:10.3969/J.

ISSN.

1008-7281.2021.03.06中图分类号:TM303.3

文献标识码:A

文章编号：1008时281

(2021

)03时015时05Parallet

Simulation

and

Program

of

Dynamicat

Freezing

Permeability

of

PM

Motor

Based

on

FEMMQia

Xiaohua1

&

Xu

Fei

&

and

Yia

Huaji'(1.

Guangdong

Meizhi

RefrioeI■ation

Equipmeni

Limited

Cooperation

&

Foshan

528399 &

China;2.

School

of

EUctic

Poweo

Enginee/ng,

South

China

University

of

Technolooy,

Guangzhou

510640

&

China)Abstrach

Foo

the

sirnulation

requiremente

of

dynamic

magnetic

field

frozen

permeability,

the

lua

script

C

compiled

te

controi

the

finite-element

simulation

soowaro

FEMM

of

magnetic

field.

According

te

the

given

angle

step

size,

the

relative

angle

belteen

statoe

and

rotoe

and

the

excitation

parameter/

of

permanent-maanet

motor

model

are

modified. The

total

magnetic

field,

peomanentmagneticfieed

and

aomatuoemagneticfieed

can

becaecueated

oespectieeeybyusing

ihefunciion

ofsiaiicmagneiicfieed

fooeen

peomeabieiiyofFEMM,

and

iheefeciofdynamicfoo-

een

oonousopeoaied

ofmueiipeeFEMM

ecampeesaoecaoied

ouibyusingOciaeeooMaieab

scoipi,

iheeaoiaiion

oangeofoeeaiieeangeebeiween

siaiooand

oo-

iooisdieided

iniomueiipeeseciions,

and

each

seciion

isasigned

iodifeoeniFEMM

insiances

foocaecueaiion,

wordt

PermanenOmagnet

motor；

dynamic

sirnulation；

frozen

permeability；

parallel

4a

eu

ea

iion;FEMM0引言在电机

反应

有限元

，冻结磁导率功能辨识永磁电机电磁振动

的

，将动的气隙径

,

密波形分离成永

有价值。和电枢反应磁对于分析电机的交直轴电感、分永

和电枢

分有用!然而FEMM、AnsysEM等电仅提供

冻结磁导率功能，其实,

为了文献［1］

性能分

介绍了冻结磁导率功能在电机的各种应用；文献［2

］介绍了应用冻结磁导率方法对IPMSM电机的转矩分量进行分

的方法。这些应用其实也是需要动态冻结磁导15动态磁场计算也有冻结磁导率的

2021年第3期第56卷(总第22醐)(EXPLOSION-PROOF

ELECTRIC

MACHINE)率的，然

们

有介绍用何种

、以及具何进

导率的动态冻结，更没有发表动态导率冻结的相

序代码。对以

和问题，本文开

利用lua脚本控制FEMM进行动态冻结磁导率的方法，公

相

码。它按预定的转角步长修改永磁电机模型的定转子相对角度参数及

参数，利用FEMM的

冻结磁导率功能，

角

•算出

、冻结磁导率的永 及电

。动态冻结磁导率

的另一个问题是

量

很大，提升

有必要。本文利用Octave(或Matlab)异步运行多个FEMM实例，将

定转子相对角度变

分为若干段，每段分配给不同的FEMM实例进行并行计算，极大地加快1

FEMM动态磁场冻结磁导率的方

法与程序FEMM是一款小巧、方便、开的

电磁场有限元

*3"+，它虽然不直接提供动

:能,但它的以下特点为进行动态磁场冻

结磁导率

提供了方便。(1)

lua脚本控制：FEMM集成了

lua语言脚

本控制台，并支持利用Matlab(或Octave)的m文脚本

部控制

型的编辑、、理以及lua脚本文件的运行；(2)

支持

冻结磁导率；(3)

气隙边界：专为旋转电机定、转子相

对转角位置的变化提供了气隙边界条件(图1中

两圆弧(％所示)，改变转子转角时，

重

剖

分，程序自动调整气隙边界

元及节点的&

大大加快改变转子角度的仿真速度。161 ~P

5

—(半)周期边界;—气隙边界；@0

—

0矢

位;LA—

圆弧;N35

—永磁体泌、A、C—三相绕组,每线圈60匝。以永磁同步电动机振动

的径向动为例,转子转

定、定子电流变

律已知，当不虑涡流时，可以电机运行各个时

的

动

，再结合静的冻结磁导率功能，

达动态冻结磁导的效果。

的流程、步

下(结合图1)。(1)

确定电机运行时刻、相应的转子位置和定子电流，依此

置

型的定转子相对角、线圈电流；(2)

计算并保存LA上的总磁场；(3)

型为电流

型；(4)

设置为冻结磁导率模式，并使、磁场

型的结

；(5)

将永

N的矫顽力.置为0，求解

LA

的电流

；(6)

型为永

型；(7)

设置为冻结磁导率方式，并使、磁场

型的结

；(8)

将线圈@、A、C的电流置为0，求解并保存La的永

；(9)

重复(i)直到定转子相对角度到达设定

的限值。假定模型文

为test.

FEM，

转子总共旋转120。机械角度、共计算512步的lua脚本

下pno

=

1；—线程编号(若并行运算，则由Oc­tave

传入)ns

=0

；

一起始步序号(若并行运算，则由Oc-

taee

入)ne=511；—结束步序号(若并行运算，则由

Octaee

入)n

=511

；一总转角分段数=总步数-1

di

=

120/n

；—转角步长=120

/总步数open

(

"test.

FEM")；一打开原始模型文件*

-

FEMmi_saveas(pno

.

-

"temp,

fem")；一另存模型

imax

=5

*

1-

414

；一电流幅值

angle

=90

；

一电流角P=3；—极对数

(EXPLOSION-PROOF

ELECTRIC

MACHINE)2021年第3期第56卷（总第220期）a

=28.4；一采样圆弧LB的半径for

k

=ns,ne,1

do一从起始点ns循环到终止

点ne一_

setprevious

(

pno

.

-

11

temp

_

syve.

ans11

,0)一设置求解用初值(0)为“

temp_save-

ans"mi_modifyboundprop

(

rG；

10,

di

*

k

)；一修

改气隙边界AG的定转子相对转角ig

=

irnac

*

sin

( (

angle

+

di

*

k

*

p

)

/180

*

pi)'—计算三相电流瞬时值ib

=

irnac

*

sin(

(angle

-

120

+

di

*

k

*

p)/180*

pi)

；ic

二

irnac

*

sin(

(

angle

+

120

+

di

*

k

*

p)/180*

pi)

；mi_modimciNprop

(

11

A"

,

1,

ig

)；一设置

A%B%

C三相线圈电流mi_modifycircprop(

11

B"

,1

,ib);

mi_modifycircprop(

11

C"

,1

,ic);mi_analyev

(1)

一求解

mi_loadsolution()

一加载结果mg_seteditwodv(

"

cotiWuN

)

一改为选择轮廓

模式mo_selectpoini(

r,0

)一选定

LB

的一个端点

(

o,0)mo_selectpoini

(

a

*

cos

(

pi

*

2/3

)

&

r

*

sin

(

pi

*

2/3))—选定LB的另一 点mo_

makeploi

(

2

& n

*

1

&

11

bn_"

.

-

k

.-

"-

wW

,1

)T呆存LB上n

+

1个点径向磁密到bn_?.

tximo_makeplot(3

,n

+

1

&

"

bi_"

-

- k

.

-

"

-

wW

&

1

)

一保存LB上n

+

1个点切向磁密到bi_?-

txtmo_closo

()---关闭 理界remove(

pno

.

-

"

temp_save.

ans")；一删除无

用的旧初值saee+ans"rename

) 一(

pno

.

-

"

temp.结

改为ans"

&

pno初值

.

-

"

temp_

一2+

ABC

电流的mi_

setprevious

(

pno

.

-

"

temp

_

syve.

ans

"

&

2)

一设置冻结磁导率(2)用“

temp_save-

ans"

mi_modifymaterial

(

H

N35"

,3,0

)

一修改永磁

材料N35的Hc为0mi_analyvv

(1)

一求解mi_loadsolution

()

一加载结果mg_seteditwodv

(

"

contoue")—选择

LB

mo_sVctpoini

(

r,0)mg_selectuoini

(

r

*

cos(

pi

*

2/3

)

&

r

*

sin(

pi

*

2/3))mo_makeplot(2

,

n

+1

&

11

bniabc_"

.

-

k

.-"-

txi"

&

1)—保存

Bi■和

Bimo_makeplot

(

3

,

n

+

1

&

"

btiabc_"

-

-

k

.-"-

txi"

,1)mo_oeose(

)

一

闭 理界—3•求永磁场mi_modifymateriai

(

"

N35

"

&

3,

867000

);

一

恢复永

N35的矫顽力Hc

=

867kA/mmi_modifycircprop

(

"

A"

,

1,0

);一置线圈

A%

B%C电流为0

；mi_modifycircprop(

11

B"

,1,0)；mi_modifycircprop(

H

C"

,1,0)；

mi_analyvv

(1

)；

一求解

mi_eoadsoeution(

)

；一

结

mg_seteditwodv

(

"

contour")；—选择

LB

mo_sVctpoini(r,0)；mg_selectuoini

(

r

*

cos(

pi

*

2/3

)

&

r

*

sin(

pi

*

2/3))；mo_makepeot(

2,

n

+1

,

"bnpm_"..k

..".

tit"

,

1

)

一

Bo%

Btmo_makepeot(

3,

n

+1

,

"btpm_"

..

k

..".

tit",1)mo_oeose(

)

一

闭 理界endmi_closv()

一关闭模型

quit(

)

一结

FEMM以上脚本可以拷贝到FEMM的lua控制台直

接运行&也

以

为文本文件&由Octave或

Matlab

的方式，连同参数一起，传递给FEMM

运

°17

2021年第3期第56卷(总第220期)(EXPLOSION-PROOF

ELECTRIC

MACHINE)要

的是，提 气隙

有两种方法:一种是基于点的

值的方法,逐点提

，由于每点对应一条lua语句，当要

的

点数较多时，

慢;另一种是以上脚本中使用的方法，它基于绘制轮廓线LB的磁密波形，只

定轮廓线，

定制的点数，

轮廓线上各点的径向、

及他需要的物理量!2

FEMM冻结磁导率并行仿真与程序在以上介绍的动态冻结磁导率

，除了一步

以利用前一步的结

收敛速，各步

有其他的

，因此不同转角的各步可以

，而不影

的结果。FEMM

本身不限制运行的

数,这为

提供

。我们

型的定、转子相对角度变

分为ncpu段(ncpu&

机容许的最大线程数)，然

利用Octave⑸或Matlab

执行操

令的system函数，以异步方式执行ncpu

FEMM

，每

一段角

的各步。相应的m脚本程序如下n1

=0;%

始步序n2

=511-1

；%

结束步序号ncpu

=12

;

%

线 数part

=

foor(

(

n2

-

n1

+

1

)/ncpu)

+

1

;%

每线

的步数ne=n1

-1

;foopno=1ns=ne+1

:

;

ncpu%

本线

始步序ne=ns+paoi;

%

本线

结

步序iC

nc

>

n2，nc

=

n2

；

end%

最后一个线程时，

线程结束步序号=总结束步序号femmcmd

=

XD

:

femm42

bin

Vemm.

exc

；

%

FEMM.

exc的路径及文件名femmcmd

=

*

femmcmd，

x

-

Uv

-

script

=

lua.

txtO

；%

lua脚本保存的文件名femmcmd

=

*

femmcmd，

'

-

lua

-

var

=

ns

=

D

num2str(

ns)];

%传递的参数名'ns

/及其值femmcmd

=

*

femmcmd，

'

-

lua

-

var

=

nc

=

D

num2str(

nc)

+

；

%传递的参数名'nc

/及其值femmcmd

=

*

femmcmd，'

-

lua

-

var

=

pno

=

D

num2str(

pno)

+

;

%传递的参数名/

pno

/及

值18femmcmd

=

*

femmcmd，

"

-

windowhidc

D

;

%

隐藏实例的窗口system (

femcmd，

false，

Dsync

D

%

限

异步

执行

eemm

(

Ociaee)%

system

(

*

femmcmd，，&

D);%

异步执行

femm

实仞l](限

matlab)end需要注意的是，Octave与Matlab的system函

数在异步方式执

令时存在语法差异。在Ociaee

，

sssiem

函数有

的

2、

3

参数，以

异步执行或同步执行:缺省时为同步执行,须等上一

令执行完毕

回后，才能执下一

令，

法

于多算，但是

2个参数选false,第3

参数取

“

async”时，为异步执行方式，

于执行多FEMM

o在Matlab中，异步运行是通过在令行参数

尾随字符”

&”

的。3计算实例应用以上介绍的方法及程序，对一台9槽

6极压缩机用永

嵌入式转子同步电动

机(IPMSM)进 动态冻结磁导率的

分离，提的气隙

径向分

图2所°在一台主频

2.6GHz、6

CPU

、12

线程的笔记本工

进行，模型有限元剖分的点数约为2.5万，

步数为512步，

12FEMM

进

，12

FEMM

全部结

时约20分钟，相比

FEMM的情况，

提升

10倍。

(EXPLOSION-PROOF

ELECTRIC

MACHINE)2021年第3期第56卷（总第220期）了程序的正确性和有效性。参考文献*1

+诸自强,褚文强-冻结磁导率先进技术及其在高性

能电机

的应用[J].电工技术学报,2016,31

(

20):13-29.（C）永磁场*2]杨庆凤-基于冻结磁导率法的内置式永磁同步电

机的转矩精确的分离*

J]

•微电机,2020,53(6)：

38-41.图2

一台压缩机用DMSM在动态

冻结磁导

的磁场分离结果*3]

David

Meeker-

FEMM

V4.

2

User's

Manual*EB/OL]-

http：//总ww.

femm.

info/wiki/Documenition/,

2020-7-05/

4结语对FEMM、AnsysEM等电磁场计算软件只

2020-9-18.*4

+

Daid

Meekeo

FEMM:

HomePage*

EB/OL]

-

http：//

www.

femm.

info/wiki/HomePae,

2019-06-23/2020-9-18.*5

+

John

W-

EATON. Scienti/e

Prooramming

Languave:

直接提供

导率冻结功能、不能满足电机电磁振动

等

要的问题，开

la脚本控制FEMM进行动

冻结磁导率仿真的方法及程序，并使用Octave或Matlab的system

函数执行多个FEMM

导率

的

,

动

冻结GNU

Octvve*

EB/OL]

-

www.

gnu.

org/

software/wc-

tvve/,

2020-1-31/2020-9-18.作者简介:邱小华

男1984年生;硕士研究生,研究方

运行o应以上方法和程证

向为变频永磁电机高效化技术、振动噪声抑制技术-收稿日期：2020-03-01序对一台压缩机用DMSM进行的

（上接9页）共6根50方电缆接入出线盒,出线盒

有

U1、V1、W1

%

U2、V2、W2

共

6

电机定4结语3000m海拔以上的矿％电机产晶还需要现场

子引出线相连接的引线排，同时设有短，用于

电机Y接,电

电缆从出线盒底部接入。3.

6护瓦装置运

，通过此次对高

电机的

制造,,为各种环我公司在矿％电机产•业绩

由于该项

轴瓦的运输

、径

户要求电机

货,对电机境下矿％配

制造提供了有益参考。参考文献要

高,该电机轴瓦与转轴轴磕碰损有间隙，为使电机转子在运输过程中处*1

+凸极同步电机电磁计算公式•电指（DZ）

27-63.哈尔

滨电机厂内部发行,1963.于固定，保证电机转轴与轴瓦不

坏，瓦装置、螺、弹簧垫圈使轴瓦与转轴轴

*2]陈世坤.电机设计*

M].北京：机械工业出版社,

一

隙为零，

运输过

的相互窜动。1982.*3]李秀英-GB755

—2008.中国国家标准化管理委员

,2008,6.护瓦装置见图3。*4

+郭杰.电机运输中的轴承保护装置*

J].防爆电机,

1999,（4）

：47-48.作者简介：刁国鑫男1988年生；毕业于哈尔滨理工

大学电气工程及其自动化专业，现从事电机的设计与开

发工作-：2020-03-2919