基于Ansoft的永磁電機漏磁系數(shù)仿真準(zhǔn)確性研究

周勇，占鈺濤，戴文星

應(yīng)用研究

基于Ansoft的永磁電機漏磁系數(shù)仿真準(zhǔn)確性研究

周勇，占鈺濤，戴文星

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

通過Ansoft仿真平臺，以一臺內(nèi)置式永磁同步電機為研究對象，分別在二維和三維仿真模型中進(jìn)行漏磁系數(shù)計算，驗證了仿真的準(zhǔn)確性。通過分析不同永磁體厚度下漏磁系數(shù)的變化情況，得出了提升永磁體厚度可以提高永磁體利用率的結(jié)論。

永磁同步電機 漏磁系數(shù) Ansoft仿真

0 引言

漏磁系數(shù)是內(nèi)置式永磁同步電機最重要的參數(shù)之一，表示了永磁體的利用率，其大小對電機的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)矩脈動、弱磁調(diào)速能力有重要影響[1～2]。對漏磁系數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計算有利于提高電機設(shè)計精度和性能[3～6]。目前對于漏磁系數(shù)的計算主要有基于經(jīng)驗的路算法和二維有限元法。其中路算法隨著電機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和飽和程度的變化增大會出現(xiàn)偏差，二維有限元法假設(shè)電機軸向磁場無變化，忽略了電機的端部漏磁。

本文以一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)置式永磁同步電機為研究對象，分別建立其二維和三維仿真模型，對不同永磁體厚底下的漏磁系數(shù)進(jìn)行對比分析，驗證二維有限元法計算漏磁系數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 漏磁系數(shù)計算

永磁電機中，通過永磁體的總磁通包括與電繞組交鏈的主磁通和不與電樞繞組交鏈的漏磁通，如圖1所示。漏磁系數(shù)表征漏磁通占總磁通的分量比例，反映永磁體的利用率，表示為[7]：

利用磁路積分法可以準(zhǔn)確的計算磁通：

式中：δ——總磁路積分面積；

m——主磁路積分面積；

δ——總磁路積分面上的磁密；

m——主磁路積分面上的磁密。

當(dāng)忽略端部漏磁，假設(shè)電機軸向?qū)ΨQ時，（2）式可表示為：

式中：l——總磁路積分路徑；

m——主磁路積分路徑。

圖1 主磁通及漏磁通線示意圖

2 漏磁系數(shù)有限元分析

本文的研究對象是一臺2500 kW內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)置式永磁同步電機，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁電機基本參數(shù)

在Ansoft18.1中建立此電機的二維和三維模型，在空載工況下進(jìn)行靜磁場仿真，得到兩種模型下的磁密矢量圖（軸向方向），如圖2所示。從圖中可知，二維和三維仿真結(jié)果一致，且電機空載磁場在軸向方向上的的變化很小。

圖2 二維和三維仿真磁矢量結(jié)果

在相同的徑向位置分別建立總磁場和主磁場的積分面（三維）和積分路徑（二維），提取此處的磁密波形，分別如圖3和圖4所示。圖3右圖可見，因端部效應(yīng)，主磁通在端部突增。由于積分路徑的徑向方向位置相同，可以用平均磁密來反映總磁通的大小關(guān)系。利用式（2）和式（3）的方法，求得二維和三維仿真情況下主磁場、總磁場的平均磁密值和漏磁系數(shù)，列于表2中。結(jié)果表明，二維仿真較三維仿真相比，主磁通、總磁通和漏磁系數(shù)均略高，但偏差比較小，故可以利用二維仿真較準(zhǔn)確地進(jìn)行漏磁系數(shù)計算。

圖3 三維仿真磁磁密波形圖

表2 漏磁仿真分析結(jié)果

3 永磁體厚度對漏磁系數(shù)影響對比分析

使用前文所述的方法，對不同永磁體厚度下的漏磁系數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著永磁體厚度的增加，漏磁系數(shù)隨之降低。二維仿真結(jié)果較三維仿真偏高，其差別很小且穩(wěn)定。

圖5 不同永磁體厚度時的漏磁系數(shù)

4 結(jié)論

本文以一臺2500 kW內(nèi)置式永磁同步電機為例，分別建立其二維和三維仿真模型，對不同永磁體厚底下的漏磁系數(shù)進(jìn)行對比分析，通過研究得出以下結(jié)論：

1）采用二維磁場進(jìn)行漏磁系數(shù)仿真時，忽略電機的端部效應(yīng)，假設(shè)電機磁場軸向無變化時，相比于三維磁場仿真，操作簡單，用時更少，其差別很小且穩(wěn)定；因此可以使用二維平面場仿真得到精準(zhǔn)的仿真結(jié)果。

2）電機其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，隨著永磁體厚度的增加時，漏磁系數(shù)則隨之降低，永磁體的利用率顯著提高。

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Research on Ansoft-simulation Accuracy of Permanent Magnet Motor Leakage Coefficient

Zhou Yong, Zhan Yutao, Dai Wenxing

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

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TM341

A

1003-4862（2021）09-0054-03

2020-12-09

周勇（1996-），男，助理工程師。研究方向：機械制造。E-mail：1286402728@qq.com