永磁同步电机充磁研究

永磁同步电机充磁研究

张德金, ,邱小华

广东美芝制冷设备有限公司  广东顺德  528333

摘要：针对目前永磁同步电机使用RLC充磁机充磁进行研究，阐述了RLC充磁电路充磁原理。采用Ansoft有限元仿真计算结果，设计充磁电机所需的充磁电容和充磁电压，并通过仿真结果与实验测试的脉冲电流数据进行对比，验证了仿真分析的准确性，为永磁电机的充磁电机设计及充磁仿真提供了具体方法。

关键词：永磁同步电机；充磁；充磁电机

Permanent Magnet Motor magnetizing research

Abstract: For the current permanent magnet synchronous motor using RLC magnetizing machine magnetizing study describes the principles of magnetic circuit RLC magnetizing charge. Using Ansoft finite element simulation results, the design charge magnetizing of voltage and capacitance required for magneto, and compare the simulation results with the experimental data pulse current to verify the accuracy of the simulation analysis. The magnetizing motor design and simulation magnetized permanent magnet motors provides specific methods.

Keywords: PMSM;Magnetizing; Motor magnetizing

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1引言

随着生活水平的提升，变频空调逐渐成为市场的热点。压缩机中的永磁同步电机是变频空调的核心部件。为了提高压缩机中的永磁同步电机性能及可靠性，需要高磁能积、高内禀矫顽力、足够厚度的永磁体作为磁场的激励源。稀土永磁体的磁能积高于铁氧永磁体，目前普遍使用稀土永磁体来实现高功率密度、高性能的永磁同步电机设计。

高内禀矫顽力及永磁体厚度大，使得永磁体充磁问题成为了永磁同步电机设计、生产过程中需要直接面对的难题。电机生产过程中，若采用有磁的永磁体进行组立转子，安装困难，而且转子热套曲轴工艺会导致永磁体退磁。目前电机生产过程中采用RLC充磁机连接充磁电机进行充磁，经常出现充磁机初始电压选择不合理、充磁机电容选择不合理及充磁电机设计不合理，导致充磁电机出现充爆或永磁体充不饱和问题。因此，有必要对永磁同步电机充磁进行研究，寻找采用仿真方法合理选择充磁机初始电压、充磁机电容及合理设计充磁机。本文对目前采用的RLC充磁机的充磁原理进行了阐述，通过Ansoft有限元仿真方法计算充磁参数，根据仿真计算结果判断永磁体是否可以充磁饱和，为永磁同步电机磁铁充磁提供一定的技术支持。

2 RLC充磁机充磁原理

电机采用RLC充磁机充磁原理如图1所示。充磁机先给电容C充电，达到设定的直流电压初始值Uc0后，可以进行充磁，充磁过程中电容放电，形成脉冲电流，如图2所示。脉冲电流在2ms时达到800A的电流峰值。

RLC电路电流的解析解为：

       (1)

最大电流时刻的解析解为：

       (2)

图1 电机采用RLC充磁机充磁原理图

图2 电机采用RLC充磁机产生的脉冲电流

最大电流值的解析解为：

     (3)

其中：

    (4)

    (5)

其中：

R—设备电阻与充磁电机电阻之和

L—充磁电机电感

C—充磁机设置电容

Uc0—充磁机初始设置电压

由最大电流值的解析解可知，影响充磁电流值的主要因素包括：充磁机初始设置电压值、充磁机设置电容值、充磁电机电感、充磁电机电阻。充磁电机电感、电阻由充磁电机绕组设计及并联方式决定。

3基于Ansoft有限元模型充磁仿真分析

3.1 有限元仿真计算

在Ansoft Maxwell中建立电机2D瞬态场有限元模型，如图3所示，并按照图4设置电机绕组和充磁机之间的连接，通过Ansoft外电路将充磁电机与充磁机连接起来，构成仿真系统。

图3 充磁电机有限元模型

图4 充磁电机与充磁机连接方式

3.2 仿真与实测对比

充磁电压1000V，充磁电容4000uF。通过Ansoft有限元仿真计算，可以得到脉冲电流曲线，采用示波器可以测出实际充磁时的脉冲曲线。图5为有限仿真计算与实测脉冲曲线对比。

图5 有限元仿真计算与实测脉冲曲线对比

对比图5中有限元仿真计算与实测脉冲曲线可知，仿真与实测脉冲电流波形接近。

4基于仿真的充磁饱和判断

根据Ansoft有限元瞬态场仿真计算的场结果中的磁场强度云图判断永磁体是否充饱和，当达到最大电流时对应永磁体槽处磁场强度大于永磁体内禀矫顽力时，永磁体充饱和。

现对电机进行充磁仿真，采用设计电机对永磁电机充磁，判断永磁体是否可以充饱和。根据仿真结果最终确认的充磁电压为1700V，充磁电容为4000uF。图6为充磁仿真脉冲电流波形。图7为电流最大时永磁槽处的磁场强度云图。

图6 设计电机充磁仿真脉冲电流波形

图7电流最大时永磁槽处的磁场强度云图

由图9及图10的仿真结果可知，在5.49 ms时，最大充磁电流值为762.9A，永磁体槽的磁场强度大于永磁体内禀矫顽力2倍，设计的18槽6极电机对设计的永磁体充磁可以充饱和。在实际生产过程中，设计的充磁电机在充磁机初始电压1700V，充磁电容4000uF时，可以将稀土永磁体充饱和，满足充磁要求。

4结语

本文阐述了采用RLC充磁机进行充磁的原理，可知影响充磁效果的因素为充磁机初始电压、充磁机电容及充磁电机设计。采用Ansoft有限元模型仿真充磁过程，得到充磁时脉冲电流波形，与实测脉冲电流波形相吻合，验证了仿真的准确性。

根据有限元仿真计算的场云图结果，在永磁体槽中的磁场强度大于永磁体内禀矫顽力判断永磁体是否可以充饱和，指导充磁电机设计、充磁机初始电压和电容的选择，满足电机生产过程中永磁体充磁，为永磁电机的充磁电机设计及充磁仿真提供了具体方法。

参考文献：

[1] 唐任远，等.现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社. 1996.

[2] 胡岩，等 . 小型电动机现代实用设计技术[M]. 北京：机械工业出版社.2008.

[3] 赵博, 等. Ansoft12在工程电磁场中的应用[M]. 中国水利水电出版社. 2010

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