基于Ansoft的IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算

李 勇，姜新通，史慶夫，酒晨霄，劉彥彬，陸永平

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)、稀土永磁材料和控制理論的飛速發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)在中低容量的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在伺服傳動(dòng)領(lǐng)域，永磁同步電動(dòng)機(jī)正在逐步取代直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)而成為伺服驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向。在交流同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)有兩大類(lèi)，一類(lèi)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)，其定子繞組中的電流是方波電流;另一類(lèi)是交流永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，它定子繞組中的電流是三相正弦波形。相對(duì)而言，由于三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的線(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波，在定位力矩、力矩波動(dòng)、噪聲等各方面性能更優(yōu)越，因而在精密伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)自于電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永久磁鋼，而氣隙磁場(chǎng)的分布在很大程度上決定了電機(jī)的特性好壞，因而氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)一直是永磁同步電動(dòng)機(jī)的核心問(wèn)題之一，對(duì)電機(jī)性能具有重要影響。在永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝永磁體的方式主要有兩種，一種是將磁鋼裝在轉(zhuǎn)子表面，即表貼式(SPM);另一種是將磁鋼埋入轉(zhuǎn)子里面，即內(nèi)置式(IPM)。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、動(dòng)平衡性能好等優(yōu)點(diǎn)，更適宜于在較高轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用。

本文結(jié)合具體科研項(xiàng)目，從IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的Ansoft建模入手，研究了IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布規(guī)律，以及磁極分布形式、磁極個(gè)數(shù)等參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，尤其重點(diǎn)討論了磁鋼形狀和兩極情況下的永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分布規(guī)律。本文的研究結(jié)果對(duì)促進(jìn)IPM式永磁同步電動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用具有參考價(jià)值。

1 IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分布特點(diǎn)

1.1 Ansoft軟件介紹

常用的計(jì)算電機(jī)中電磁場(chǎng)的大型軟件有Ansoft、Ansys、Flux 等，其中尤以 Ansoft Maxwell最為流行。Maxwell有2D和3D兩種模型，可以計(jì)算交直流電磁場(chǎng)、瞬態(tài)電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多種場(chǎng)域。另外，Ansoft Maxwell還可以結(jié)合外接電路進(jìn)行基本性能的仿真計(jì)算，如電磁轉(zhuǎn)矩、電壓調(diào)整率等。

對(duì)于一般性的電機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題，建立二維的2D模型得到的計(jì)算結(jié)果足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。本文就是采用了2D模型進(jìn)行計(jì)算。

1.2 IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的Ansoft模型

一個(gè)30槽4極“V”型磁鋼的永磁同步電動(dòng)機(jī)的Ansoft 2D計(jì)算模型如圖1所示，其中定轉(zhuǎn)子硅鋼片材料選用DW470－50，磁鋼材料選用38SH。

根據(jù)上述模型，分別在Ansoft軟件中對(duì)永磁磁鋼和勵(lì)磁繞組等部分的屬性進(jìn)行定義，則可以分別計(jì)算得到該同步電機(jī)的直軸磁場(chǎng)(對(duì)應(yīng)磁鋼充磁，定子繞組不通電，ψd=定值，ψq=0)和交軸磁場(chǎng)(對(duì)應(yīng)磁鋼不充磁，定子繞組通三相交流電，ψd=0，ψq=定值)分布圖如圖2所示。

圖1 IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的2D磁場(chǎng)計(jì)算模型

圖2 IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的直軸和交軸磁場(chǎng)分布

由圖中磁力線(xiàn)的分布規(guī)律可以看出，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的交軸磁通主要都通過(guò)永磁體中心的對(duì)稱(chēng)區(qū)域，而且磁力線(xiàn)的方向是與直軸磁場(chǎng)正交的。因此，如果要減少交軸磁場(chǎng)的影響，就要在永磁體中心區(qū)域設(shè)置輔助槽來(lái)調(diào)節(jié)和控制交軸磁路，進(jìn)而達(dá)到最后調(diào)節(jié)氣隙磁密的效果。這種磁場(chǎng)分布特點(diǎn)是內(nèi)置式特有的，是與表貼式完全不同的。

1.3 IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

永磁同步電動(dòng)機(jī)最主要的特性就是輸出特性，包括外特性和效率特性。和外特性密切相關(guān)的是反電勢(shì)系數(shù)和各個(gè)阻抗，和效率特性密切相關(guān)的則是電機(jī)各部位的損耗。電機(jī)的反電勢(shì)波形取決于繞組分布和氣隙磁密分布，而損耗則直接取決于電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒、軛等處的磁密。所以，磁場(chǎng)計(jì)算的最主要目的，就是得到永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁密、軛部磁密、齒部磁密以及線(xiàn)反電勢(shì)波形。

對(duì)應(yīng)圖1中的計(jì)算模型，通過(guò)Ansoft軟件的后處理程序，得到該電機(jī)的氣隙磁密、軛部磁密、齒部磁密以及線(xiàn)反電勢(shì)如圖3～圖6所示。

由圖中的計(jì)算結(jié)果可以看出:

(1)空載氣隙磁密的波形較平，而且在角度為90°左右時(shí)畸變比較明顯。這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)角度存在輔助槽，使得此處的轉(zhuǎn)子內(nèi)部磁場(chǎng)高度飽和，進(jìn)而導(dǎo)致徑向磁密畸變。

(2)負(fù)載情況下電樞反應(yīng)的存在引起了各部分磁密分布的畸變。不管是氣隙磁密還是軛部和齒部磁密，在一個(gè)極距內(nèi)波形不再平頂，會(huì)出現(xiàn)略微的相位偏移。半邊波形幅值的提高使得各磁密的平均值也略有增高。

(3)對(duì)于我們最關(guān)心的反電勢(shì)、空載和負(fù)載情況下線(xiàn)反電勢(shì)的特點(diǎn)是波形變化不大但數(shù)值上略有下降。根據(jù)圖中的波形可以計(jì)算得到空載和負(fù)載時(shí)電機(jī)的線(xiàn)反電勢(shì)系數(shù):kelp0=0.002 1 V/(r·min－1);kelp1=0.002 0 V/(r·min－1)，即下降了5%左右?？紤]到空載計(jì)算比較便利，進(jìn)行方案對(duì)比時(shí)以空載計(jì)算的比較為準(zhǔn)，只需要把負(fù)載時(shí)的下降趨勢(shì)考慮進(jìn)去即可。

2 轉(zhuǎn)子磁鋼形狀的影響研究

對(duì)于IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，為了充分利用轉(zhuǎn)子空間，一個(gè)磁極往往要采用多段式結(jié)構(gòu)。磁極的形狀不同，形成的磁場(chǎng)分布規(guī)律也不同，因而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的磁鋼形狀對(duì)這種電機(jī)是最重要的。在使用同樣材料的前提下，一個(gè)比較好的方案應(yīng)該是盡量采用比較簡(jiǎn)單的工藝和獲得盡量高的電勢(shì)系數(shù)，這是方案對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)。

磁極數(shù)比較少時(shí)，獲得好的磁場(chǎng)分布規(guī)律相對(duì)更困難一些。對(duì)于一臺(tái)2極電機(jī)，對(duì)應(yīng)相同定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼采用兩段、三段、四段三種形狀時(shí)，電機(jī)的有限元模型和線(xiàn)反電勢(shì)波形如圖7、圖8、圖9所示，各圖的計(jì)算模型中標(biāo)示出了磁極的極性。

對(duì)比三種計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論:

(1)從氣隙磁密的波形來(lái)看，諧波含量最少的是每極四段W型結(jié)構(gòu)，其次是二段V型和三段梯形。

(2)從氣隙磁密的大小來(lái)看，基波幅值最大的是三段梯形，其次是二段V型和四段W型。

(3)三段梯型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁密幅值較大，但頂部類(lèi)似于平頂波，而且容易達(dá)到飽和。

因此，對(duì)三段梯型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，保持其幅值大的優(yōu)點(diǎn)，改善其波形平頂?shù)娜秉c(diǎn)，應(yīng)該是最佳的選擇。

3 轉(zhuǎn)子磁極數(shù)的影響研究

永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，如果增加磁極數(shù)，則電機(jī)中的漏磁通比例會(huì)相對(duì)下降，力矩系數(shù)會(huì)增大，電機(jī)的效率也會(huì)有所增加。但磁極數(shù)太多也存在明顯的缺點(diǎn)，比如磁通交變頻率增加會(huì)導(dǎo)致鐵損的大幅度增加，電路損耗也會(huì)增加。

對(duì)于相同的外形尺寸和性能要求，所設(shè)計(jì)的一臺(tái)4極電機(jī)對(duì)比方案的空載氣隙磁密波形和線(xiàn)反電勢(shì)計(jì)算結(jié)果如圖10所示。對(duì)應(yīng)2極和4極，空載氣隙磁密分別為0.6 T和0.8 T，單匝線(xiàn)反電勢(shì)系數(shù)分別是0.001 5 V/(r·min－1)和0.002 1V/(r·min－1)。

圖10 一臺(tái)4極電機(jī)的磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可知:

(1)電機(jī)的磁極數(shù)越少，軛部的局部飽和越嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時(shí)越要進(jìn)行磁路結(jié)構(gòu)調(diào)整。

(2)電機(jī)的磁極數(shù)越少，磁路的漏磁占的比例越大，氣隙磁密數(shù)值越低。

(3)在一定范圍內(nèi)，磁極數(shù)的增加有利于增大線(xiàn)反電勢(shì)大小，并改善其波形。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上述計(jì)算和分析，本文研制了18.5 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試架上的樣機(jī)如圖11所示，樣機(jī)測(cè)試線(xiàn)圈的線(xiàn)反電勢(shì)波形如圖12所示，其數(shù)值大小和計(jì)算結(jié)果是相符的。

本文以ANSOFT有限元計(jì)算為基礎(chǔ)，研究了內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)問(wèn)題。計(jì)算結(jié)果表明，一般情況下，當(dāng)磁極數(shù)較少時(shí)每極四段W型磁鋼結(jié)構(gòu)為首選，當(dāng)磁極數(shù)較多時(shí)每極二段V型磁鋼結(jié)構(gòu)為首選。兩極IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)特性不理想，應(yīng)當(dāng)以4極結(jié)構(gòu)為首選。樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果證明了所做計(jì)算的正確性。

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