驱动电机电磁性能仿真分析

驱动电机电磁性能仿真分析

黄乾钰

广东肇庆爱龙威机电有限公司广州分公司526000

摘要：随着新能源汽车的发展，永磁同步电机得到了广泛应用。由于其磁场空间分布的复杂性，往往在电机结构设计阶段带来较大的困难，基于Ansoft软件提出一种永磁同步电机有限元模型进行电磁场仿真方法，准确计算电机的主要性能和参数，为电机优化设计提供可靠依据。

关键词：永磁同步电机；电磁场仿真；Ansoft

引言：在永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）产品设计验证阶段，通过有限元仿真的方式来分析电机电磁场仿真结果，能有效的的替代繁琐耗时的实验分析，为产品的设计和优化提供可靠的依据。作为电机电磁场有限元仿真软件之一的Ansoft/Maxwell基于是麦克斯韦微分理论，通过将有限元划分成离散空间分布，将电磁场的求解计算转变为数学形式上的矩阵求解，提高电机有限元仿真的准确性，除此之外，其拥有丰富的参数设计和仿真功能，在永磁同步电机设计中应用广泛。

一、基于Ansoft的PMSM有限元电磁场仿真

在建立完成PMSM有限元模型后，采用三相对称正弦电流激励的方式，在稳态工况下，完成PMSM有限元模型的基本电磁场仿真。为保证设定的A、B、C三相激励电流为对称正弦，则三相电流的相位相差120°，且三相电流的频率相同且与电角频率相一致，从而使定子电流产生的电枢磁场与永磁体产生的励磁磁场保持稳态的同步旋转速度。

根据电机运行的周期性，设定仿真时间为一个电周期，即10ms，考虑到仿真的时间的长短，设仿真步长为0.05ms。那么在一个仿真周期内，可以得到201电角度下的基本电磁场仿真结果所示为电磁转矩、三相电流和三相反电动势在一个电周期内变化的电磁场仿真结果。

在实际的电机设计中，还需要考虑电机在整个工况下的效率情况以及不同工况下其对应的磁场参数变化情况。通过Ansoft＼Maxwell中的UDO（UserDefinedOutputs）和Toolkits这两个插件可进行永磁同步电机外特性曲线，功率MAP图和电流电感曲线的分析。

当电机运行在转矩为30Nm和转速为7768rpm附近的工作区域时，电机的工作效率最高，达到93.3%，在低速大扭矩和高速小扭矩工况下，电机的工作效率最低。同时该电机的基速为7768rpm，电机的最高转矩为100Nm。当电机转速小于基速时，电机运行在恒转矩区域，当电机转速大于基速时，电机运行在恒功率区域。

当相电流为50A时，电机处于轻度磁饱和中，d轴电感和q轴电感分别为197uH和520uH，当相电流为400A时，dq轴电感减少为160uH和300uH。当电机定子电流增加时，电机整个磁路处于非线性饱和区，磁导率下降，d轴电感减少，同理，q轴电感也会减少，由于PMSM为内嵌式电机，交直磁阻不相等，由于q磁阻较小，受到磁饱和的影响更严重，所以q轴电感减小更快。

二、定义电机材料特性

在Ansoft软件中建立电机的几何模型时，所有部件的材料属性都默认为是真空。所以，在几何模型建立后，要对电机的各个部件的材料特性进行定义，以实现电机磁路的分析。

对于永磁同步电机静磁场分析，主要需要指定以下4个部分的材料属性。

（1）气隙材料属性定义在电机的设计中，将电机的气隙材料属性定义为空气或者真空，气隙材料的属性在软件自带的材料库中设定即可。

（2）绕组材料属性定义在电机中，一般将绕组的材料定义为铜，铜这种材料属性在软件自带的材料库中可以找到，直接指定即可。

（3）定子铁心和转子轭材料属性定义电机的定子铁心和转子轭是由硅钢片叠压而成，将一种电机常用的非线性铁磁材料DW465-50指定为两者的属性。但这种材料在软件自带的材料库中没有，需要我们根据这种材料的属性值重新进行定义。由于材料是非线性的，故相对磁导率并不是常数，需要我们根据BH曲线进行定义。按照软件新材料的定义方法，依次输入DW465-50的BH曲线的属性值，从而形成新的BH曲线，以便应用在本文的电机磁场分析中。输入BH曲线时要注意，B值与H值要一一对应，并且单调连续。BH曲线缺省通过原点，（0，0）点不输入；并且BH曲线应覆盖材料的全部工作范围，提供足够多的数据点以完整描述该材料特性。B、H值从（0，0）点一直到（238854，2.36）点，完整详细地描述了DW465-50这种材料的特性。

（4）永磁体材料属性磁极所采用的是永磁材料，在软件自带的材料库中没有，需要自己输入以建立新的永磁材料。在我们了解永磁材料特性的情况下，Ansoft软件可以直接输入永磁材料的特征值，以完成对新材料的定义。需要说明的是，永磁体的退磁曲线是指剩磁密度Br与矫顽力Hc的曲线，可以简称BH曲线。此外还需要知道永磁体的工作温度，即电机内部温度分布，Br的可逆温度系数，Hc的可逆温度系数。

三、永磁同步发电机的转子构造

永磁同步发电机在转子尺寸确定的情况下，选择不同的转子结构，永磁体体积不同，永磁体提供的磁通量也会不同，从而永磁同步发电机的性能参数也会不同，

为永磁同步发电机几种转子结构，现分析转子结构并选取转子模型，假设永磁同步发电机转子的长度为L，外径为R，内径为r，假设永磁体径向充磁方向长度为h，切向为2h，估算各种转子结构的永磁体提供磁通的最大截面积A。，

永磁体提供磁通的最大截面积，（a）为：

对于6极永磁同步电机，转子内外径的比值大约是0，4，现取0，4进行估算，得到不同结构的永磁体截面积值，虽然在中所得的数据是估算的，但是可以从中得到磁通面积变化趋势，从中可以看出，内置式W型磁钢提供的磁通面积最大，其次是内置式u型磁钢，对于半直驱永磁同步发电机而言，应优先选取内置式V型，U型，W型磁钢电机选取U型磁钢，此种电机有以下一些特点：

1）此结构较表面式永磁发电机简单，省去了导磁性的不锈钢套环。

2）由于没有套环，所以其等效气隙小，与使用相同磁钢的表面式永磁同步发电机相比，此结构主磁路磁阻小，可获得更高的磁通密度，。

3）由于磁钢端部产生漏磁通，所以通常在不影响机械强度的前提下，在磁钢端部用磁导率与空气材料相同的材料做延伸，降低磁钢端部漏磁。

4）由于磁钢内嵌入转子铁心，而转子铁心内空间较大，所以磁钢形状及排布可以有更大的自由选择空间，。

5）内置式永磁同步发电机与表面式永磁同步发电机相比，其q轴的电感较大，导致q轴的电枢反应也比较大，容易受到磁饱和的影响。

四、永磁风力发电机运行性能分析

2.935MW永磁同步风力发电机采用U型磁钢转子结构，定子槽数为72，极对数为3，三相双绕组结构，工作温度120°C，磁性槽楔的相对磁导率为4，永磁风力发电机的性能指标。

（1）空载特性

通过空载运行特性，可以校核电机的磁路设计是否合理，以此依据及时调整电机结构，得到输出电压的大小及其波形畸变程度，给出了有限元仿真空载电压波形，可以看空载相电势波形很接近于正弦波，为空载电压的谐波分量分布情况，经求得线电压波形正弦性畸变率为4，2%，小于GB755―2008《旋转电机定额和性能》中5%的规定，图7为发电机工作在额定转速下的空载磁密分布云图，从中可以看出定子齿部、轭部、转子部分、磁钢部分磁密分布比较合理，空载齿槽转矩，因为永磁同步风力发电机槽数为72，极数为6，所以最小公倍数为72，那么槽转矩基波个数为72。相邻齿距基波数个数为1，机械角为5，齿槽转矩的最大幅值为636N?m，占发电机额定转矩的3，9%，满足设计要求。

（2）额定负载特性

本文采用图9所示场路耦合模型模拟发电机运行，经过仿真发电机额定负载端电压和端电流波形如图10所示，从可以看出波形为比较平整的正弦波，经计算线电压有效值为690V，达到了额定值，而从其二者的相位可得功率因数为1，与设计相符。

（3）短路特性

短路状况下，永磁发电机运行是极为恶劣的，设计不当会引起永磁体的退磁，对此需要对永磁发电机进行最恶劣短路时情况进行仿真计算，三相短路为最恶劣短路，通过搭建外电路对永磁发电机短路时进行分析，所施加的外电路，提取A相短路电流最大时刻三相短路波形，开始时刻为瞬态短路，当短路电流波形稳定时，为稳态短路，瞬态短路时电流最大值为14669.7A，为额定电流的5.97倍，电流稳定后的有效值为4314.6A，是额定电流的1.757倍，均满足设计要求。

结束语

电机及其控制技术作为电动汽车的核心技术，将随着电动汽车的发展而具有广阔的发展空间和应用前景，对电机的研究也会越来越深入。电机电磁场的分布将决定电机的性能和结构。只是对电机的静磁场的分析过程进行了论述，为了更好地将电机应用在电动汽车上，我们还必须对电机的瞬态磁场进行分析。所以，电磁场的分析研究还有待进一步的发展，从而使电动机的各项性能可以。

参考文献

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[2]秦新燕，肖鹏程.基于的电机设计及瞬态分析2012.6

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