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1、编写： 校对： 审核： 批准： 密级： 名称： XX 永磁同步电机 仿真分析报告 朴渡科技 - 1 - 内容提要： 对 18kW 永磁进行电磁场、温度场和力学结构仿真分析。 主 题 词 永磁同步电机； 更 改 栏 更改单号更改日期更改人更改办法 - 2 - 目录 1 电机简介 - 3 - 2 主要分析项目 - 4 - 3 电磁场仿真分析 - 5 - 3.1 转动惯量计算 - 6 - 3.2 工作点 1 性能仿真 - 6 - 3.3 工作点 2 性能仿真 - 9 - 3.4 工作点 3 性能仿真 . 错误！未定义书签。 3.5 转矩- 电流特性 . 错误！未定义书签。 3.6 反电势正弦畸变率分
2、析 - 12 - 3.4 电机磁密分析 . - 14 - 3.5 退磁校核 - 16 - 3.6 齿槽转矩仿真 - 16 - 3.7 电感仿真 - 17 - - 3 - 1 电机简介 18kW永磁同步电机由 * 公司提出。电机具体指标见下表1。 表 1 18kW_PMSM 性能指标 序号参数单位设计值 1 工作点 1 转速 n1rpm 8000 转矩 T1Nm 17.91 相电流 IrmsA 待定 2 工作点 2 转速 n1rpm 8000 转矩 T1Nm 21.5 相电流 IrmsA 待定 3 转动惯量 Jm(电机转子、旋变、制动器 ) kgmm 2待定 4 额定工作电压VDC 270 5
3、电机尺寸mm 158160mm 6 电机质量 G （不含控制器）kg 15(暂定) 7 效率% 80 8 冲击电流A 120 电机工作环境温度为 -55+70，工作制S1（长期工作），如下表所 示： 表 2 电机工作情况 转矩(N.m) 转速(rpm) 时间(min) 17.91 8000 长期连续 21.5 8000 20 - 4 - 2 主要分析项目 借助仿真设计平台，对JXX 进行电磁场、温度场、力学结构的仿真分 析。本次仿真所采用的软件件下表2。 表 3 计算机软件设备 软件名称生成厂家版本号 Ansys Maxwell 美国 Ansys公司16.0 具体分析分析内容见下表3。 表 4
4、 18kW_PMSM仿真分析内容 仿真项目分析内容 电磁场仿真 电磁转矩、转矩波动 绕组铜耗、定子铁耗、转子涡流损耗、效率 退磁校核、齿槽转矩、定转子各部分磁密 - 5 - 3 电磁场仿真分析 针对 JXX电机的两个工作状态 (性能指标见下表5) ， 对其进行电磁场有 限元仿真。 表 5 4 18kW_PMSM性能指标 1 额定工作点 转速 n1rpm 8000 转矩 T1N m 17.91 2 极限工作点 转速 n2rpm 8000 转矩 T2N m 21.5 首先建立电机的二维有限元全周期分析模型，如图1 所示。图中黄、 兰、绿分别表示 A、B、C三相绕组，永磁体 N、S极分别用红色、蓝色
5、表示， 转子护套用橙色表示。 图 1 电机有限元分析模型 对电机定子、转子、护套、永磁体、绕组、气隙进行剖分，其网格剖 分效果如下图2 所示。网格划分均匀，气隙处网格密度最大，满足瞬态场 - 6 - 有限元分析的要求。 图 2 电机网格剖分效果 电机正弦波驱动，采用Id=0 控制方式。 3.1 转动惯量计算 表 6 转动惯量精确计算 磁钢护套转轴挡板转子轭旋变总和 转动惯量1324.02834790 849.9107 110.9399 744.6402900 3126.6 转动惯量为 3126kg.mm2 ，满足任务书要求。 3.2 额定工作点性能仿真 电机在额定工作点性能仿真结果见下表7。电
6、机在该工作点， 定子铜耗 为 129.0674W，定子铁心损耗243.1106W，转子部分 (包括转子轭、磁钢、 转子护套 )涡流损耗为 185.6405W，电机的效率为 95.5%。 - 7 - 表 7 额定工作点性能指标仿真 转速(rpm) 8000 电流密度 (A/2) 4.803 转矩(N.m) 17.91 线负荷 (A/mm) 46.6854 相电流(A) 55 热负荷 (A2/mm3) 224.231 相电势 max(V) 127.5759 铜耗(W) 189.9688 相电势 rms(V) 94.7294 铁耗(W) 176.9034 线电势 max(V) 231.4032 转子
7、涡流损耗 (W) 103.9389 线电势rms(V) 163.5657 电机效率96% KT(Nm/A) 0.3256 外加线电压max(V) 237.97 KE(V/krpm) 28.9254 转矩波动2.36% 电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗和转子涡 流损耗损耗曲线分别见图3 至图 6。 图 3 转矩 -时间曲线 - 8 - 图 4 相反电势波形 图 5 线反电势波形 - 9 - 图 6 定子铁心损耗（红色）& 转子涡流损耗（蓝色）曲线 3.3 极限工作点性能仿真 电机在极限工作点性能仿真结果见下表8。电机在该工作点， 定子铜耗 为 257.2272W，定子铁心损耗
8、208.4185W，转子部分 (包括转子轭、磁钢、 转子护套 )涡流损耗为 118.7989W，电机的效率为 95.6%。 表 8 极限工作点性能指标仿真 转速(rpm) 8000 线负荷 (A/mm) 54.3249 负载转矩 (N.m) 21.4962 热负荷(A2/mm3) 303.621 相电流 (A) 64 铜耗(W) 257.2272 相电势 max(V) 137.6328 铁耗(W) 208.4185 相电势 rms(V) 99.3111 转子涡流损耗 (W) 118.7989 线电势max(V) 248.599 其它损耗 (W) 150 线电势rms(V) 171.555 电机
9、效率96.1% KT(Nm/A) 0.335878 外加线电压max(V) 250.73 KE(V/krpm) 31.07488 转矩波动1.9% 电流密度 (A/2) 5.589 电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗和转子涡 流损耗损耗曲线分别见图7 至图 11。 - 10 - 图 7 电磁转矩 -时间曲线 图 8 相反电势波形 - 11 - 图 9 线反电势波形 图 10 定子铁心损耗（红色）&转子涡流损耗（蓝色）曲线 - 12 - 图 11 额定工作点转矩-电流曲线 3.4 线反电势正弦畸变率分析 电机在空载及 2 个负载点线电势 FFT 分解见下表。 表 9 工作点 5
10、 性能指标仿真 谐波次数幅值 (V)8000rpm 、 空载 幅值 (V)8000rpm 、17.91Nm 幅值 (V)8000rpm 、21.95Nm 1232.1031 232.2229 243.6414 50.227507 1.038461 0.011868 72.811581 2.857598 0.363297 111.047731 0.850796 1.444807 130.33115 0.603673 0.49485 170.0179 0.432467 0.383308 190.162192 0.495078 0.160419 230.133125 0.362401 0.18424
11、8 250.025897 0.05768 0.16251 291.612324 0.731039 3.222074 311.561809 0.836498 3.369227 350.006517 0.009933 0.117133 正弦畸变率1.6263%1.5% 2.05% - 13 - 图 12 空载线电势FFT 分析 图 13 8000rpm 、17.91Nm线电势 FFT 分析 - 14 - 图 14 8000rpm 、 21.5Nm线电势 FFT 分析 3.4 电机磁密分析 电机在各工作点状态下磁密云图如下图所示。 图 15 空载工作磁密云图 - 15 - 图 13 额定工作点（15
12、kW ）磁密云图 图 14 极限工作点（18kW ）磁密云图 求解得到定、转子各部分磁密见下表6，定子冲片采用20WTG1500， 电机在不同工作点各部分磁密幅值如下表所示，定子冲片接近饱和，已利 用到极限。 - 16 - 表 9 电机各部分磁密 定子轭磁密 (T) 定子齿磁密 (T) 转子轭磁密 (T) 空载工作点1.6008 1.5994 1.3867 额定工作点 (17.91Nm,8000rpm) 1.6349 1.7928 1.3768 极限工作点 (21.5Nm,8000rpm) 1.8092 1.7924 1.4222 3.5 退磁校核 求解得到永磁体表面去磁磁势曲线，如图19 所
13、示，取电机 1.5 倍最大 工作点相电流96A 时去磁磁势最大值为219.5139kA/m，小于永磁体 XG28/20 的内禀矫顽力。不会发生退磁。 图 15 永磁体表面去磁磁势曲线 3.6 齿槽转矩仿真 该电机直槽齿槽转矩峰峰值为17.4324mNm，可不斜槽。 - 17 - 图 16 齿槽转矩波形 3.7 电感仿真 仿真电机在空载 8000rpm，绕组自感和互感，如下图所示， 图 17 绕组自感 - 18 - 图 18 绕组互感 d、 q 轴 电感Ld=Lq=0.1186+0.0327=0.1513mH， 电 气 时 间 常数 =L/R=0.1513/ 0.0209332=7.23ms 。 - 19 - 附件： Ansoft 电磁计算单 ADJUSTABLE-SPEED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DESIGN 此处省略。 。 。 。 。 。