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1、调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析1引言与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率
2、的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。本文使用AnsoftMaxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。2调速永磁同步电动机的电磁设计2.1额定数据和技术要求调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高永磁同步电动机的效率h、功率因数cosj、起动转矩Tst和最大转矩Tmax设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下
3、：。本例所额定数据额定功率相数数值P=30kwNm=3额定线电压UN1=380V额定频率极对数f=50Hzp=3额定效率hN=0.94额定功率因数绝缘等级计算额定数据：cosj=0.95NB级(1)额定相电压：U=UNN13=220V(2)额定相电流：I=NP103NmUhcosjNNN=50.9Ap(3)同步转速：n1=60f=1000r/min(4)额定转矩：T=N9.55P103Nn1=286.5Ngm2.2主要尺寸和气隙长度的确定永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式估算得到：hcosj，P=KPPD2L=Cni11ENC=aKNNp6.1KABNmdpdK
4、为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；a为计算极弧系数，式中，D为定子内径，L为定子铁心长度，P为计算功率，C为电机常数。i1Ep初选0.8；KNm为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；Kdp为电枢的绕组系数，初选0.92。A为电机的线负荷，Bd为气隙磁密，A和Bd的选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发来选取最合适的A和Bd值，本例初选为A=200A/cm,Bd=0.7T。由上式可初步确定电机的D2L，但要想进一步确定D和L各自的值，还应i1i1t=L选择主要尺寸比l=LpDi12p=2pLpD，其中t为极距。通常，中小型同步
5、电动机i1的l=0.62.5，一般级数越多，l也越大，本例初选1.4。永磁同步电动机的气隙长度d一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本例取d=0.7mm。确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。2.3定子铁心与绕组的设计(1)定子槽数的选择当相数和极数确定时，定子的槽数取决于每极每相槽数q1，q1
6、的值对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。q1一般在26之间选取并尽量取整数，对于极数少、功率大的电机，q1取大值；对于极数多的电机，q取小值。本例取q=4。11(2)定子绕组的设计与感应电机一样，永磁同步电动机使用的绕组型式有单层绕组、双层绕组和正弦绕组等。这些绕组型式各有其优缺点和适用场合。本次设计的调速永磁同步电动机的绕组是双层叠绕组,定子Y接。此外采用双层短距分布绕组可以避免电动机绕组中产生环流并可以削弱电动势谐波，定子绕组Y接则可以大大减小电动机的杂散损耗，使定子电流中不含3次和3次倍数的谐波，定子电流中亦不含偶次谐波。2.4永磁体的设计(1)转子磁路结构设计永磁同
7、步电动机的转子磁路结构是按照永磁体在转子上位置的不同来分类的，永磁体一般有三种排布方式:表面式、内置式和爪极式。而内置式转子结构按永磁体磁化方向与转子旋转方向的关系又可以分为径向式、切向式和混合式三种结构。转子磁路结构的不同会使得电动机的运行性能、制造工艺和运行场合也不同。本例采用的是内置切向式转子磁路结构，其在一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供的，能够获得更大的每极磁通，非常适合多级电机。但漏磁系数较大，因此需要有相应的隔磁措施。(2)永磁体选择一般常用的永磁材料包括铝镍钻永磁材料、铁氧体永磁材料以及稀土类永磁材料，但应用于调速永磁同步电动机的永磁材料只有稀土磁体，即汝铁硼永磁体和钐钴永
8、磁体。本例采用的是NTP-288M的永磁体，20oC时，剩磁为Br20=1.18T，矫顽力为Hc20=898kA/m。计算剩磁密度B=1+(t-20)a(1-IL)BrBrr20=1.1T，式中B的可逆温度系数arBr=-0.12%K-1，B的不可逆损失率IL=0%K-1，预计永r磁体工作温度t=75oC。(3)永磁体设计永磁体的主要尺寸有三个:永磁体的轴向长度L、磁化方向长度h和宽度MMb。永磁体的尺寸除了影响电动机的性能外，还影响着电动机中的空载漏磁系M数s，也决定着永磁体的利用率。实验证明，永磁体尺寸越大，空载漏磁系数0越小。一般来说，永磁体的轴向长度L就取电动机铁心的轴向长度，因此只需
9、MM(1-sba)ms0MB为气隙磁密基波幅值，B=4Bsinp；2pd要设计其他两个永磁体的尺寸h和b。通常来讲，b的长度设计不能超过t的MMM长度；设计h应使永磁体工作在最佳工作点，因为永磁体的最佳工作点更大程M度上取决于永磁体的磁化方向长度h。M对于内置切向式转子磁路结构，其永磁体尺寸的估算公式为：2KKbdh=m00b=s0Bd1tlefpbBKLm0rFM式中，K为电动机的饱和系数，其值为1.051.3；sK为与转子磁路有关的系数，其值为0.71.2；ab为永磁体的空载工作点，即空载时磁感应强度的标幺值，一般取m00.600.85；s为空载漏磁系数，是空载时的总磁通与主磁通之比，本例
10、取1.2；0apd1d1K为气隙磁通的波形系数，即电机基波磁通与气隙总磁通之比，本例初F选0.9。3模型建立和仿真计算3.1RMxprt电磁和结构设计根据上述电磁设计部分得到的调速永磁同步电动机的参数，在AnsoftMaxwell的RMxprt模块中建立电机模型，如图1所示，并设定样机的仿真参数。仿真参数的设定至关重要，这意味着将要计算前面建立的电机模型在该状态下的工况，一般是将额定工作状态设定为分析对象。设定完仿真参数，在确认无误的情况下，软件就会对电机进行求解计算。RMxprt电机分析模块是基于等效电路和磁路的方法对电机进行计算的。最终计算清单见附录1，其列出了所有输入数据和计算结果。图1
11、电机模型通过计算结果，可以看到所设计电机在额定运行情况下的效率为96.9%，满足给定的性能指标。空载时的气隙磁密约为0.63T。其他各项指标也均满足要求。此外还可以得到电机的性能曲线。图2、图3、图4分别给出了电机输出功率、效率与力矩角的关系以及气隙磁密的波形曲线。图2输出功率与力矩角的关系曲线图3效率与力矩角的关系曲线图4气隙磁密3.2Maxwell2D中建立电机的二维有限元模型RMxprt模块是基于等效磁路法的电机设计模块，许多参数均由软件自动查表得到，同时由于采用了等效磁路，电机的设计精度会降低。为提高设计精度，往往需要将RMxprt模块中的电机模型导入变换为AnsoftMaxwell2
12、D模型，然后进行有限元计算仿真，得到电机的瞬态特性，从而为电机的优化设计提供依据。Ansoft14版本能够将RMxprt模型一键式导入到2D界面中，自动完成几何模型绘制、材料定义、激励源添加、边界条件给定、网格剖分和求解参数设置等前处理项，点击运行即可生成瞬态计算模型，其对应的计算为转子在额定转速下的恒速运行，所模拟的是额定转速下三相绕组电流和转子上的电磁转矩。图5给出的是电磁转矩曲线，图6给出的是三相电流曲线。由于软件所给的工况是转子在0时刻前已经被拖至额定转速，然后在0时刻突然加电，而实际中电机均为从0转速升速至额定转速，因此曲线的前半段并无参考价值，而从转矩曲线的后半段可以看出在额定转速
13、下基本稳定，但脉动较大。从电流曲线后半段可以看出电流也基本稳定。图5额定转速时瞬态电磁转矩曲线图6额定转速时瞬态相电流曲线图7和图8给出的是t=0.2s时刻的电机磁力线和磁密分布图。从图8的磁密分布图中可以看出，与磁钢靠近的定子齿部磁密较小，而定子轭部磁密较大，远离磁钢的定子齿部磁密较大，而定子轭部磁密较小。且定子齿部的磁密最大值约为2T，定子轭部磁密最大值约为1.3T，而定子所用硅钢片D23_50的B-H曲线饱和值约为1.6T，由此可以看出硅钢片的利用率较高。图7额定转速下t=0.2s时刻的磁力线分布图图8额定转速下t=0.2s时刻的磁密分布图4结论本文通过AnsoftMaxwell软件比较
14、系统地对调速永磁同步电动机主要尺寸和气隙长度、定子冲片和绕组、转子磁路结构以及永磁体等参数的确定进行了研究,并说明了电机形状与结构参数变化对电机性能的影响,同时在设计时可以调整各种电机参数得到不同的电机设计方案,对优化电机设计提供有力的手段和指导借鉴意义。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,2002.2陈世坤.电机设计M.北京:机械工业出版社,2012.3赵争鸣,袁立强,杨晟等.可控电源供电电机的设计与分析M.北京:机械工业出版社,2012.4戴文进,张景明等.电机设计M.北京:清华大学出版社,2010.5王秀和等.永磁电机M.北京:中国电力出版社,2007.6
15、王秀和,杨玉波,朱常青.异步起动永磁电动机-理论设计与测试M.北京:机械工业出版社,2009.7王秀和,杨玉波,朱常青.异步起动永磁电动机-理论设计与测试M.北京:机械工业出版社,2009.8刘慧娟,上官明珠,张颖超等.AnsoftMaxwell13电机电磁场实例分析M.北京:国防工业出版社,2014.9AnsoftRMxprt使用手册中文版M.10秦新燕,肖鹏程.基于Ansoft的电机设计及瞬态分析J.湖北第二师范学院学报,2011,28(2):89-92.11张巍.工频电源供电低速大转矩永磁同步电动机的设计与分析D.沈阳工业大学,2008.12王广生,黄守道,高剑.基于Ansoft软件设计分析内置式永磁同步电动机J.微电机,2011,44(2):70-73.13徐广人,唐任远,安忠良.永磁同步电动机气隙磁场分析J.沈阳电力高等专科学校学报,2003,3(2):1-4.13高徐娇,赵争鸣,赵强.永磁同步电机的结构与其电磁参数关系分析J.清华大学学报(自然科学版),2001,41(9):44-47.14邱克立.永磁同步电动机与磁钢性能的关系J.微特电机,1997,(2):16-18.