摘 要：隨著新能源汽車的發(fā)展，永磁同步電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。由于其磁場(chǎng)空間分布的復(fù)雜性，往往在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段帶來(lái)較大的困難，本文基于Ansoft軟件提出一種永磁同步電機(jī)有限元模型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真方法，準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的主要性能和參數(shù)，為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；Ansoft；電磁場(chǎng)仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.242

0 引言

在永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，通過(guò)有限元仿真的方式來(lái)分析電機(jī)電磁場(chǎng)仿真結(jié)果，能有效的的替代繁瑣耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)分析，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。作為電機(jī)電磁場(chǎng)有限元仿真軟件之一的Ansoft/Maxwell基于是麥克斯韋微分理論，通過(guò)將有限元?jiǎng)澐殖呻x散空間分布，將電磁場(chǎng)的求解計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)形式上的矩陣求解，提高電機(jī)有限元仿真的準(zhǔn)確性，除此之外，其擁有豐富的參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真功能，在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

本文以車用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)作為研究對(duì)象，通過(guò)建立有限元模型，進(jìn)行有限元電磁場(chǎng)仿真，從而獲取電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩、電流、功率特性以及電感等結(jié)果，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 基于Ansoft的PMSM有限元模型建立

建立準(zhǔn)確的PMSM有限元仿真模型是對(duì)電機(jī)準(zhǔn)確電磁場(chǎng)分析的關(guān)鍵。在PMSM有限元模型的設(shè)計(jì)中，將定子尺寸通過(guò)Ansoft/Maxwell軟件中RMxprt參數(shù)化模塊生成定子模型和繞組方式。轉(zhuǎn)子部分則通過(guò)AutoCAD畫(huà)出并導(dǎo)入到Ansoft/Maxwell中，然后分別設(shè)定相應(yīng)的面域和材料屬性，并設(shè)定永磁體的磁場(chǎng)方向，通過(guò)網(wǎng)格劃分完成模型的建立。

2 基于Ansoft的PMSM有限元電磁場(chǎng)仿真

在建立完成PMSM有限元模型后，采用三相對(duì)稱正弦電流激勵(lì)的方式，在穩(wěn)態(tài)工況下，完成PMSM有限元模型的基本電磁場(chǎng)仿真。為保證設(shè)定的A、B、C三相激勵(lì)電流為對(duì)稱正弦，則三相電流的相位相差120°，且三相電流的頻率相同且與電角頻率相一致，從而使定子電流產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)保持穩(wěn)態(tài)的同步旋轉(zhuǎn)速度。

根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的周期性，設(shè)定仿真時(shí)間為一個(gè)電周期，即10ms，考慮到仿真的時(shí)間的長(zhǎng)短，設(shè)仿真步長(zhǎng)為0.05ms。那么在一個(gè)仿真周期內(nèi)，可以得到201電角度下的基本電磁場(chǎng)仿真結(jié)果。圖2～圖3所示為電磁轉(zhuǎn)矩、三相電流和三相反電動(dòng)勢(shì)在一個(gè)電周期內(nèi)變化的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果。

圖1所示為穩(wěn)態(tài)電流激勵(lì)下所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩，在該工作點(diǎn)下，平均轉(zhuǎn)矩為34.2Nm，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)為±3.1Nm，在一個(gè)電角度周期內(nèi)，轉(zhuǎn)矩包含6次和12磁諧波。

在實(shí)際的電機(jī)設(shè)計(jì)中，還需要考慮電機(jī)在整個(gè)工況下的效率情況以及不同工況下其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)參數(shù)變化情況。通過(guò)Ansoft＼Maxwell中的UDO（User Defined Outputs）和Toolkits這兩個(gè)插件可進(jìn)行永磁同步電機(jī)外特性曲線，功率MAP圖和電流電感曲線的分析。圖2和圖3所示為電機(jī)功率MAP圖和電流-電感圖。

圖2直觀的顯示永磁同步電機(jī)在不同工況下，其運(yùn)行的功率特性，從圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩為30Nm和轉(zhuǎn)速為7768rpm附近的工作區(qū)域時(shí)，電機(jī)的工作效率最高，達(dá)到93.3%，在低速大扭矩和高速小扭矩工況下，電機(jī)的工作效率最低。同時(shí)該電機(jī)的基速為7768rpm，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)矩為100Nm。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于基速時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于基速時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在恒功率區(qū)域。

圖3所示為dq軸電感隨相電流的變化情況。當(dāng)相電流為50A時(shí)，電機(jī)處于輕度磁飽和中，d軸電感和q軸電感分別為197uH和520uH，當(dāng)相電流為400A時(shí)，dq軸電感減少為160uH和300uH。當(dāng)電機(jī)定子電流增加時(shí)，電機(jī)整個(gè)磁路處于非線性飽和區(qū)，磁導(dǎo)率下降，d軸電感減少，同理，q軸電感也會(huì)減少，由于PMSM為內(nèi)嵌式電機(jī)，交直磁阻不相等，由于q磁阻較小，受到磁飽和的影響更嚴(yán)重，所以q軸電感減小更快。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用Ansoft軟件及其UDO和Toolkits這兩個(gè)插件可準(zhǔn)確的獲得永磁同步電機(jī)仿真過(guò)程中轉(zhuǎn)矩、電感和反電動(dòng)勢(shì)等電磁參數(shù)，同時(shí)還可分析電機(jī)整個(gè)工況下的功率MAP圖和MTPA曲線。這一方法為電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制提供了可靠的依據(jù)，有效節(jié)省了前期電機(jī)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

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作者簡(jiǎn)介：周英坤（1993-），廣西南寧人，碩士研究生，研究方向：新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模及控制。