基于Ansoft汽車永磁電機磁場有限元分析

陳善章,張振東

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海　200093)

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基于Ansoft汽車永磁電機磁場有限元分析

陳善章,張振東

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對Ansoft Maxwell軟件的電磁仿真方法是否有效,分別采用Ansoft Maxwell和Simplorer軟件對磁場和電路進行仿真的方法。分析了永磁同步電機的結(jié)構(gòu),建立永磁同步電機的電-磁場理論模型和電磁損耗模型,用電磁仿真軟件進行仿真。通過電機性能實驗臺測試永磁同步電機的關(guān)鍵輸出特性,并與仿真結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明,參數(shù)誤差均<5%,驗證了電磁仿真的有效性。

關(guān)鍵詞永磁同步電機;電磁理論;仿真分析

Finite Element Analysis of EM Field of Vehicle Drive Motor Based on Ansoft

CHEN Shanzhang,ZHANG Zhendong

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractSimplorer and Ansoft Maxwell are used to perform simulation analysis of circuit and magnetic field to show whether the Ansoft Maxwell electromagnetic simulation method is effective.The structure of permanent magnet synchronous motor is studied and the permanent magnet synchronous motor electric-magnetic field theory model and electromagnetic loss model established based on electric and magnetic field coupling theory.The simulation results are consistent with test results with an error less than 5% for all parameters.The above results prove that the electromagnetic simulation model and simulation method are effective.

Keywordspermanent magnet synchronous motor;electric-magnetic theory;simulation analysis

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高,對汽車綠色環(huán)保趨勢的需求越來越迫切。稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、鐵芯損耗少、效率高、運行可靠等優(yōu)點,成為新一代高效節(jié)能汽車電機中的主要類型。稀土材料性能和制造工藝水平不斷提高,永磁同步電動機的磁路設(shè)計受到廣泛關(guān)注,在電機的設(shè)計中,磁場分析是重要的,其是電機設(shè)計與計算的基礎(chǔ),電機性能的好壞直接與它的磁場設(shè)計相關(guān)。而電機設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)是氣隙中的磁通密度,其是分析電機性能、計算空載漏磁系數(shù)、極弧系數(shù)和磁通波形系數(shù)的基礎(chǔ)[1-2]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者提出電機磁路的計算方法主要有:等效磁路法、場路結(jié)合分析法和電磁場數(shù)值計算法?；诼返碾姍C設(shè)計方案可較快的確定電磁方案,但隨著對電機性能要求的不斷提升,完全基于路的設(shè)計不能滿足對精度的要求?；趫龅脑O(shè)計對計算機的資源要求較高,而基于場路結(jié)合的設(shè)計方法既能做到快速又能滿足精度要求,場路結(jié)合分析法將磁場和磁路的分析方法融合,在電機設(shè)計效率和參數(shù)計算精度兩個方面折中考慮,有較好的實用性[3]。

電磁場數(shù)值計算法分為有限差分法、有限元法、積分方程法和邊界元法等4種基本類型,以有限元分析法最為有效,具有求解方便、精度高、收斂性好等特點。Ansoft/Maxwell是一個功能強大、結(jié)果準確、易于使用的電磁場有限元分析軟件,它包括電場、靜磁場、渦流場、瞬態(tài)場和溫度場分析模塊,可方便地分析電機、傳感器和變壓器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況與故障工況的特性。本文針對永磁同步電機運用 Ansoft軟件建立永磁同步電機模型,經(jīng)過前處理、求解和后處理3個步驟,得到永磁同步電機的氣隙磁通密度分布圖,通過實驗對仿真結(jié)果進行了驗證。

1永磁同步電機的有限元分析模型

1.1永磁同步電機幾何模型

永磁同步電機幾何結(jié)構(gòu)模型,其結(jié)構(gòu)主要由定子繞組、鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯等構(gòu)成。其中,繞組由3根910 mm的銅線組成A、B、C三相,導(dǎo)線是由50根直徑為0.43 mm的線束構(gòu)成;定子是采用4對極48槽結(jié)構(gòu),永磁體在轉(zhuǎn)子疊片上采用大開口;磁極采用“V”型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能增加電機的轉(zhuǎn)矩減少轉(zhuǎn)子質(zhì)量,同時能顯著降低磁場渦流的損耗且防止磁通量瞬間變化。電機幾何結(jié)構(gòu)模型具有對稱性,選取永磁同步電機的1/8幾何模型的結(jié)構(gòu)進行磁場仿真分析,電機的具體參數(shù)如表1所示。

表1　永磁同步電機結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2永磁同步電機的有限元建模

電磁場的數(shù)值計算法有積分方程法、有限元法、有限差分法和邊界元法4種類型,其中有限元分析法具有求解方便、精度高、收斂性好等特點。因此,有限元法為電磁場計算領(lǐng)域中的主導(dǎo)方法。這種方法主要是以變分原理、場域網(wǎng)格劃分和插值計算為基礎(chǔ),將偏微分方程所描述的連續(xù)函數(shù)所在的封閉場劃分成有限個小的區(qū)域,進而將整個場離散化,求解獲得場中函數(shù)的近似值[3]。

1.2.1磁場基本方程

直流無刷電機電磁場的有限元分析是從麥克斯韋方程組得出的,麥克斯韋方程組表示為

·D=ρe0

(1)

(2)

·B=0

(3)

(4)

直流無刷電機內(nèi)的磁場由轉(zhuǎn)子永磁體和通電繞組線圈同時產(chǎn)生,二者均為恒定磁場且同步旋轉(zhuǎn),因此無刷電機的氣隙磁場視為恒定磁場。雖逆變器供電所引起的諧波磁場是時變磁場,但由于這種磁場幅度較小,因此在分析中可忽略該諧波引起的時變場。上述麥克斯韋方程組尚不完備,仍需補充3個描述介質(zhì)性質(zhì)的方程式。對于各向同性的介質(zhì),即有無刷電機內(nèi)磁場的基本方程為

D=εE

(5)

B=μH

(6)

j0=σE

(7)

式中,ε、μ和σ分別是介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。

對于無刷電機二維磁場若電流密度為Z方向,即j0=Kjz,jx=jy=0則矢量磁位Az也只有Z方向的存在,即A=KAZ,AX=AY=0,所以在二維平面場中泊松方程變?yōu)闃?biāo)量形式

(8)

1.2.2邊界條件

在解方程之前,需要對磁場的邊界條件進行確定。對于二維恒定磁場,當(dāng)磁力線與邊界平行的邊界,矢量磁位Az=0,此為第一類邊界條件。

當(dāng)永磁體電流等效時,滿足

(9)

此為第二類邊界條件。

1.3有限元求解

由上討論所得電機磁場的數(shù)學(xué)方程為

(10)

AZ=0

(11)

(12)

式中,jm為永磁體的等效電流密度;Γ為永磁體和其他媒質(zhì)的交界;μ1和μ2是磁阻率,從上式出發(fā),構(gòu)造等價的能量泛函,再利用變分原理和離散化求其近似解。建立泊松方程等價的能量泛函[4]

(13)

式中,Ω為電機求解域場將連續(xù)的計算區(qū)域劃分有限個單元,剖分單元后,能量泛函則變?yōu)?/p>

(14)

構(gòu)造磁位的插值函數(shù),將變分問題離散化,這樣能量泛函的極值問題變成為有限單元的多元函數(shù)極值問題,讓各多元函數(shù)對各自變量的偏導(dǎo)數(shù)為零,可獲得滿足能量泛函取極小值的條件,即節(jié)點磁位的矩陣方程,求解即得節(jié)點磁位解。

2電磁場有限元仿真分析

驅(qū)動電路設(shè)計采用Simplorer軟件,其仿真輸出信號作為磁場計算的初始條件;瞬態(tài)磁場計算采用Ansoft Mexwell軟件,該軟件可通過定義材料參數(shù)和材料熱屬性參數(shù)計算不同時刻的渦流損耗和磁滯損耗[5-7]。

2.1基于Simplore軟件電路仿真模型

在計算永磁電機電-磁特性時,利用Simplorer軟件對同步永磁電機的驅(qū)動電路進行仿真,電路仿真模型如圖1所示。

圖1　基于Simplorer的驅(qū)動電路仿真模型

2.2電磁場仿真分析

利用Maxwell Ansoft軟件可準確地建立永磁同步電機模型,選永磁同步電機的1/8模型結(jié)構(gòu)作為瞬態(tài)電磁場仿真計算的模型。在進行瞬態(tài)場計算時,因氣隙處的網(wǎng)格是動態(tài)網(wǎng)格,所以需要對永電機仿真氣隙處剖分之后的永磁電機網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　電機網(wǎng)格模型

永磁電機的磁路結(jié)構(gòu)、工作氣隙和材料特性是進行機電能量轉(zhuǎn)換的重要參數(shù),傳統(tǒng)的電磁計算方法無法直觀地對磁路結(jié)構(gòu)、工作氣隙和材料特性進行評價,本文借助Ansoft Maxwell軟件對混合動力汽車用永磁同步電機進行瞬態(tài)電磁場有限元分析,直接獲得了永磁同步電機在同一周期不同時刻的磁力線、磁感應(yīng)強度的分布圖,部分結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　不同時刻磁力線分布圖

圖4　不同時刻磁感應(yīng)強度分布圖

2.3輸出特性分析

在200 Hz條件下永磁同步電機轉(zhuǎn)矩輸出特性的曲線,電機輸出轉(zhuǎn)矩隨電流的改變而上下波動。轉(zhuǎn)矩的幅值與平均值大小,與電流大小和電流的初始相位角有關(guān),當(dāng)電流初始相位角θ=0°時,此時的輸出轉(zhuǎn)矩較小,隨著電流的相位角不斷增加,其輸出的轉(zhuǎn)矩平均值逐漸變大,但其幅值變化趨勢是先增加后減小。在一定范圍內(nèi),相位角相同情況下,永磁電機輸出的轉(zhuǎn)矩平均值大小隨著電流的變大而增大。

3永磁同步電機試驗研究

3.1永磁同步電機性能測試裝置

本文采用GW160型電渦流測功機和減速箱對汽車永磁同步電機進行測試,永磁同步電機通過減速箱與測功機連接,如圖5所示。高速轉(zhuǎn)矩傳感器通過法蘭與減速箱輸入軸相連,低速轉(zhuǎn)矩傳感器通過花鍵與減速箱箱輸出軸相連。

圖5　同步永磁電機性能測試裝置

3.2輸出特性分析

通過實驗對驅(qū)動電流為150 A和200 A,選取相位角不同時,永磁電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行測試,測試實驗的結(jié)果與仿真實驗的結(jié)果進行對比,如圖6所示。由圖可知,隨著電流逐漸的增加,電機輸出的轉(zhuǎn)矩也不斷增大,輸出轉(zhuǎn)矩的最大值在相位角為140°左右的情況出現(xiàn),試驗結(jié)果與仿真結(jié)果變化規(guī)律相似,且試驗與仿真的數(shù)據(jù)誤差相對較小,滿足實際工程參數(shù)計算的需要。

圖6　不同電流時轉(zhuǎn)矩變化對比圖

4結(jié)束語

(1)以某型車用永磁同步電機結(jié)構(gòu),結(jié)合電磁理論,建立電機的電-磁模型和電磁損耗模型;

(2)利用Simplorer電路仿真軟件建立了電機的驅(qū)動電路仿真模型,Ansoft Maxwell軟件對電機的三維瞬態(tài)磁場一個周期內(nèi)進行模擬仿真;

(3)對車用永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩輸出特性進行實驗測試分析,結(jié)果表明,實驗與仿真的結(jié)果基本吻合,基于Ansoft軟件電磁特性仿真優(yōu)化為實際的工程應(yīng)用提供了有效方法[8];

(4)本文在 Maxwell環(huán)境下建立了永磁直流無刷電動機的1/8仿真模型,仿真結(jié)果準確反映了永磁直流無刷電動機的磁力線、磁通密度和電磁損耗分布,保證了有限元分析的高精度,又大幅降低了計算量,對后續(xù)工作具有一定的理論參考價值。

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中圖分類號TM351;U461.4

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-168-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.044

作者簡介:張振東(1968—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。研究方向:汽車發(fā)動機及零部件。陳善章(1976—),男,碩士研究生。研究方向:汽車電機。

基金項目:上海市教委科研創(chuàng)新基金資助項目(13YZ110)

收稿日期:2015- 10- 05