Maxwell2D分析结果中求取电机效率、功率因数的一种方法

清心笔记—2020.6.1

由电工学可知：功率因数cos(φ)是电流与电压的相位角差。对于纯电阻负载来说，其电压与电流波形一般是正弦变化。图1为电压u与电流i的波形，电压波形的初相位于第二 象限，而电流波形初相位在第一限。求解两者初相位差或过轴线零点时的相位差的余弦值，便得到功率因数。

图1

但对于电动机来说，由于定、转子存在齿槽，加上电枢反应，使得电机磁场畸变。电机磁场除基波分量外，还存在一系列谐波。为此，电机负载的电流波形就不是正弦变化，如果运用上述方法进行求解，误差比较大。当然，也可以利用其他软件处理波形后再分析，但这些工作相对复杂。图2是从Maxwell 2D 中仿真结果中提取的输入电压（红色）与负载电流波形。

图2

对于运用 Maxwell 2D 设计电机时，可根据分析结果求解出输入、输出功率及电流、转矩，然后运用电工学公式：功率因数=输入功率/视在功率，效率=输出功率/输入功率。以下为用Maxwell 2D 分析电机的结果中求取上述参数的过程。

根据电机学中功率流程图：

输入功率=输出功率+铜损耗+铁损耗+风摩损耗+机械损耗

视在功率=相数×相电压×相电流

效率=输出功率/输入功率

铜损耗=相数×相电流^2×相电阻

求解电机主要参数：

根据 Maxwell 2D 分析结果求取上述参数，方法如下：

1、 输出转矩：选取图3转矩曲线稳定后一个周期求取平均值，本例为：7.314N.m，根据转矩公式：

，

算出输出功率：2297.83W,由于在Maxwell 2D 求解时添加了阻尼损耗，所以实际输出功率需要减去阻尼损耗的功率，即风摩损耗：55W，机械损耗：11W，共66W，实际轴功率应为2231.83W

图3

2、相电流求取：选取A相稳定后一个电流波形周期（图4），进行傅里叶解析（图5）可得除相电流幅值分量外，还有一系列谐波分量。而相电流的有效值是相电流幅值的均方根，由图5求得的相电流有效值为：3.84A

图4

图5

3、铁损耗：利用铁损耗波形稳定后一个周期（图6）求取最大值：52.4W

图6

根据以上数据，本例电机的效率、功率因数计算结果如下：

上述笔记仅这个人在学习过程中的一点总结，纯属自娱自乐，如有类同，纯属巧合。