2010年第34期（总第169期）
NO.34.2010（C um ula tive tyNO.169
）
摘要：利用Ansoft公司的M axw ell2D瞬态模块，建立了在线启动永磁同步电动机模型，加载激励源，构成一个完整的仿真系统。通过对电动机的模型瞬态有限元分析，得到了绕组磁链、转速、转矩和反电势曲线。仿真结果精确地反映了在线启动永磁电动机启动过程，为永磁同步电动机优化设计、减少转矩脉动、提高启动转矩提供了理论依据。 关键词：在线启动永磁同步电动机；启动过程；电磁场有限元法；Ansoft瞬态分析
中图分类号：TM341 文献标识码：A
文章编号：1009-2374（2010）34-0140-03
在线起动永磁同步电机也是一种典型的永磁同步电动机，该机与一般普通感应电机一样，在启动过程中也要求具有一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数，还要求其具有足够的牵入同步的能力。由于在线起动永磁同步电机在转子上安放了永磁体，使得电机交、轴磁路磁导不相等以及永磁体的存在，给起动过程的计算分析带了困难。若启动绕组设计不当，即使电机运行性能很好，也可能使机不能牵入同步运行。因此在线启动永磁同步电机的启动过程比感应电机复杂，在启动过程中既有平均转矩又有脉动转矩，并且这些转矩的幅值随电机转速的变化而改变， 在线起动永磁同步电机一般用在要求较高的场合，对电动机的要求主要体现要求电动机具有高效率、高功率因数、较高的起动品质因数和单位功率的永磁体用量，所以，正确地确定电机的主要尺寸、选择永磁材料和转子磁路结构、估算永磁体尺寸定转子冲片尺寸和绕组数据的选择，对电机的性能有重大影响。本文应用Ans oft公司的电磁分析软件对电机动过程进行了仿真，说明有限元磁场分析方法对复杂永磁同步电机分析的精确性。
1 设计软件分析
随着计算机辅助设计技术的飞速发展，涌现出了许多用于电磁场有限元数值计算的软件。大多数软件静态场分析较为完善，所以目前一般是利用有限元软件进行静态分析，优化设计永磁同步电动机。然而仅仅静态分析不能精确地计算电动机的模型。但是其他软件在瞬变场分析方面较欠缺，仍然存在后处理功能薄弱等缺点，给瞬念参数的计算带来困难。
f公司推出的M x D电磁场分析软件不仅具有完善的静态电磁场分析功能，对瞬变电磁场的分析同样卓越，具有强大的后处理功能，这就为永磁同步电动机参数的计算提供了一个方便、快捷、准确的计算工具。Ansoft软件相对于其他软件有许多新的特点和优势：一是该软件具有许多开发成熟的电机模型，多数电机都可以在库中到，给使用者带来极大的方便；二是该软件设计的电机驱动电路部分，与电机模型连在一起进行仿真，提出了一个整体分析的思想；三是模型建立后，可以输入需要优化的参数，软件可以灵活进行优化设计。本文采用Ans oft公司的Maxw ell2D瞬态模块对永磁同步电动机进行建模，加载三相交流电源，就可以进行汽车永磁同步电机启动性能的仿真研究。
2 电机的有限元分析模型的建立
2.1 电机的数学模型和物理模型
电机内的电磁场问题实际上是求解在给定边界条件下的麦克斯韦方程组问题，在求解电磁场时作如下假释：电枢部分电磁场呈二维分布，端部效应由电机绕组的端部漏抗计及：
材料各向同性，忽略铁磁材料的磁滞效应：
忽略定转子叠片铁芯和源电流的涡流和位移电流；
电机的外壳外部和转子轴区域的磁场不计；
永磁材料用等效面电流模拟；
端环的影响有端环电阻何端环漏抗计及；
取矢量磁位A为求解向量，电机内电磁场的求解可以用
竞赛抢答器下列数学模型来表达：
磁悬浮鼠标式中：Ω——求解区域；Γ1——电机定子外圆和转子内圆边界；Γ2——永磁体边界；J Z——外加轴向电流密度；J e——转子涡流密度；δm——永磁体边界等效面电流密度。
本文采用在中小型电机中普遍适用的内置径向式三相4极永磁同步电机为模型，定子、转子材料都是采用D23，转子轴定义为s teel-s tainless，绕组为铜，定子槽采用梨形槽，永磁体材料采用NdFe35电动机，在线起动永磁同步电动机运行时，电动机内部的电磁场分布较为复杂，计算这种非线性磁场，可以采用有限元法通过计算磁场中的矢量磁位来完成。本文所分析的样机参数见表：
基于ANSOFT的在线启动永磁同步电机空载启动仿真研究
屠文东
（常州机电职业技术学院电气工程系，江苏常州213164）
--140Ans o t a w ell2A
1
表1样机的主要技术参数
额定功率／W 550W 额定电压／V 220定子外径／mm 120转子外径／mm 26定子内径／mm 75转子内径／mm 65每相绕组匝数104气隙／mm 0.5额定电流／A
25
额定转速／rad/s
1500
连接采用三角形接法，根据以上参数，电机设计软件Rmxprt 就会自动生成电机模型，并导出Maxwell 2D 模型，图1就是从Rmxprt 导出的永磁同步电动机的Maxwell 2D
截面图：
图1电动机的全域二维物理模型
2.2 电动机的有限元网格化
由于电机内部既有电励磁产生的磁场也有永磁体产生的磁场，故电机内部的磁场变化很复杂，为了保证电机各部分的精度要求和求解的精确性，手动设置了各部分的网格数，定义了结构参数属性对话框，保证处理的求解能有效进行，最后生成一个网格图，如图2所示。需要注意的是介于定子与永磁体之间气隙是电动机最重要的部分，磁场的变化率较大，为了提高精度，气隙应采用尺寸很小的有限元分割，以得到更加精确的结果，如图3
所示。
图2
电动机模型的网格划分
图3电动机气隙网格划分
3 电机激励源加载
f 功能强大，本次设计中采用f S 与水泥预制构件
Maxwe ll 2D 软件联合仿真，把在Ans oft 中产生的电机有限元模型作为一个元件调入Sim plorer 软件中，在其中编辑构成一个完整系统进行仿真。永磁同步电动机常用的3种开关电源类型：DC ，PW M ，Sin eWave ，也可以经过逆变器将直流电逆变成交流电供给。为了方便计算和节省资源，本文直接采用三相交流电源供电，如下所示：
公式中，T 为时间，s 。
4 有限元仿真结果
为了保证有限元仿真结果的精确性，需要在Mmaxwe ll 2D 的Slove 菜单中选择Option 进行求解方式和求解精度的设置，设置初速度为零，仿真时间为0~0.05s ，步长为0.00025s 。同时在Motion setu p 中设置转动惯量设置为0.00149257kg m 2
，通过瞬时求解器的设置来完成对0.55kW 永磁同步电动机的空载启动过程的仿真。
4.1 求解后的磁磁力线分布
求解后，可以得到一系列的参数曲线，例如永磁同步电动机电动机的磁势图、绕组磁链-电流曲线、速度、转矩、绕组电流曲线等。因为在整个瞬态分析中，不同时刻对应着不同的磁势分布图，这是一系列静态分析，本文选取了0.001s 时刻的磁势分布图，如图4
所示：
图4电机在0.01s 时的磁力线分布图
4.2 空载起动转速、起动转矩、气隙磁链、反电势仿真结果
在线起动永磁同步电动机的启动与负载转矩、系统转动惯量和牵入同步的的转矩脉动性有关。如果负载转矩和系统
转动惯量不变，则电动的启动性能主要与启动转矩的脉动有关，从启动转矩和时间的仿真曲线图5可以得出由于在电机启动过程当中气隙中存在3种不同的转速：定子转速、转子转速，转子转速由于交、直轴电抗值不同，相对于定子分成两个转速，这样就会产生脉动转矩，电机由异步启动牵入同步，转矩产生平均电磁转矩，电机开始平稳运行。从图6的转速和时间的曲线也可以看出电机在0.15s 左右时，电机转速为同步转速。图7和图8分别为空载启动过程中绕组中的反电势和电机气隙中的磁链
随时间的变化曲线，可以看出，在0.15s
后，波形趋于稳定，表明电机进入稳态，通过对永磁同步电动机不同置角、不同时刻下激磁相绕组磁链与励磁电流关系曲线以及转速、转矩、磁链等曲线的分析我们可以得知，对于负载转矩不大但是转动惯量较大需要有大起动转矩的场合，所
多孔管
--
141Ans o t Ans o t implorer
设计的电机是符合要求的。图5
电机空载转矩随时间变化曲线
图6
碱性水机
电机转速随时间的变化曲线
图7
电机绕组反电势随时间的变化曲线
图8电机气隙磁链随时间变化曲线
从图9可以看到电机的功率损耗在启动中受脉动转矩的影响较大，牵入同步运行以后，损耗相对很小，则永磁同步电动机的效率会相应的比较高，
这对电机的运行是非常有利的。
图9功率损耗随时间变化曲线
5 结语锅炉制造
本文以在线起动永磁同步电动机为样机，利用Ans fot 公司的Maxwell 2D 瞬态模块建立永磁同步电动机模型进行了仿真，绘制了各种启动过程中电动机的特性曲线，摆脱了传统的静态分析手段，验证了使用有限元磁场分析方法能有效地对电动机的启动过程进行较为准确的分析，兼顾了计算精度和速度。同时，采用有限元磁场分析方法也有助于稀土永磁同步电动机的优化设计，以及提高永磁同步电动机设计的准
确性和时效性，并为如何有效减少电机的转矩脉动和提高启动转矩提供了理论依据，具有很大的参考意义。所设计的在线起动永磁同步电动机具有良好的起动性能，特别适合在要求有较高起动转矩的场合使用，对研究性能更加优越的电动机提高了有效参考。
参考文献
[1] 唐任远．现代永磁电机理论与设计[M]．北京：机械工业出
版社，1997．
[2] 赵博，张洪亮．Anssoft 在工程电磁场中的应用[M]．北京：
中国水利出版社，2010．
[3] 贾好来．电机CAD 技术[M]．北京：中国水利出版社，2010.[4] 叶金虎．现代无刷永磁直流电动机的原理和设计[M]．北京：
科学出版社，2007．
[5] 杨红，王京．永磁同步电动机瞬态场的有限元动态分析
[J].微特电机，1998，（4）．
作者简介：屠文东（1966-），男，江苏江阴人，常州机电职业技术学院电气工程系讲师，硕士，研究方向：电机与控制技术。
--
142
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议