李新華， 陳加偉， 王櫪輝

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

50 kW CPPM電機(jī)磁場的有限元仿真分析

李新華， 陳加偉， 王櫪輝

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

以新能源汽車驅(qū)動(dòng)用50 kW CPPM電機(jī)空載磁場計(jì)算為例，使用ANSOFT公司的有限元分析軟件，分別討論CPPM電機(jī)的二維和三維磁場有限元仿真方法，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，從而得出一些有益的結(jié)論。

CPPM電機(jī)； 磁場； 有限元仿真； 畸變率； 誤差分析

連續(xù)極永磁電機(jī)(CPPM，Consequent-Pole Permanent-Magnet Machine)是一種特殊結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁同步電機(jī)，它是通過位于定子側(cè)的直流勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)的鐵極實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)的[1-2]。CPPP電機(jī)徑向磁場和軸向磁場，磁場分布比較復(fù)雜，計(jì)算也比較困難。然而CPPM電機(jī)的磁場分析在其電磁設(shè)計(jì)中起著重要作用：一是確定CPPM電機(jī)的勵(lì)磁容量并評價(jià)其調(diào)磁能力；二是設(shè)計(jì)CPPM電機(jī)的軸向磁路結(jié)構(gòu)與尺寸；三是優(yōu)化CPPM電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和氣隙磁場波形。因此，準(zhǔn)確計(jì)算CPPM電機(jī)的磁場具有重要意義。

普通電機(jī)通常采用二維有限元方法計(jì)算磁場。但CPPM電機(jī)存在軸向磁場，要用雙電機(jī)二維等效模型才能進(jìn)行二維有限元計(jì)算[3-4]。二維有限元分析的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算快速，可以節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間，加快電機(jī)開發(fā)進(jìn)程，不足之處是不能考慮電機(jī)的軸向磁路的影響，存在較大的計(jì)算誤差。為了比較準(zhǔn)確地計(jì)算CPPM電機(jī)的磁場，需采用三維有限元分析方法[5-6]，但對于新能源汽車驅(qū)動(dòng)用CPPM電機(jī)，由于功率比較大，模型剖分單元多，三維有限元計(jì)算所花機(jī)時(shí)也長。為了提高CPPM電機(jī)的磁場計(jì)算效率，通常需要結(jié)合二、三維有限元方法進(jìn)行計(jì)算。

本文以新能源汽車驅(qū)動(dòng)用50 kW CPPM同步電機(jī)空載磁場分析為例，使用ANSOFT公司的有限元分析軟件，分別討論CPPM電機(jī)的二維和三維磁場有限元仿真方法，并對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，從而得出一些有益的結(jié)論。

1 二維有限元仿真分析

1.1雙電機(jī)二維等效模型

CPPM電機(jī)可用雙電機(jī)二維等效模型來分析。一臺是含永磁極轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)，另一臺為含鐵極轉(zhuǎn)子同步電機(jī)，勵(lì)磁繞組等效至轉(zhuǎn)子側(cè)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢方向見文獻(xiàn)[4]，雙電機(jī)二維等效分析模型的軸向長度為CPPM電機(jī)定子鐵心軸向長度的一半。圖1為CPPM電機(jī)雙電機(jī)二維等效分析模型。

圖 1 CPPM電機(jī)的二維等效分析模型

1.2仿真分析

圖1中定子繞組不通電流，永磁極轉(zhuǎn)子模型內(nèi)置釹鐵硼磁鋼，永磁極和鐵極轉(zhuǎn)子模型等效勵(lì)磁繞組分別加入直流勵(lì)磁磁動(dòng)勢為0 AT、1000 AT、2000 AT和-1000 AT。分別對上述四種勵(lì)磁條件CPPM電機(jī)進(jìn)行二維有限元仿真，得到氣隙磁密的仿真波形，見圖2-5。表1給出了四種勵(lì)磁情況下永磁極模型、鐵極模型和合成氣隙磁場的傅立葉分析結(jié)果。從表1數(shù)據(jù)可以看出：

1)增磁勵(lì)磁安匝增加時(shí)，鐵極處基波磁密加大，永磁極處基波磁密略有減小，合成基波磁密增大；去磁勵(lì)磁安匝增加時(shí)，鐵極處基波磁密反向增大，永磁極處基波磁密增大，合成基波磁密減小。這表明改變勵(lì)磁安匝的大小和方向能有效地控制鐵極處的基波磁場，進(jìn)而調(diào)節(jié)合成基波磁場，但對永磁極處基波磁場也有影響。

2)增磁勵(lì)磁安匝從0升至1000 AT，合成基波磁密從0.455 T升至0.805 T，上升77%；勵(lì)磁安匝從1000 AT升至2000 AT，合成基波磁密從0.805 T升至0.975 T，只上升了21%。這表明，隨著勵(lì)磁電流的增大，磁路逐漸趨向飽和，CPPM電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)能力減弱。

圖 2 0 AT氣隙磁密及傅立葉分析

(a)永磁極模型

(b)鐵極模型圖 3 1000 AT氣隙磁密及傅立葉分析

(a)永磁極模型

(b)鐵極模型圖 4 2000 AT氣隙磁密及傅立葉分析

(a)永磁極模型

(b)鐵極模型圖 5 -1000 AT氣隙磁密及傅立葉分析

勵(lì)磁安匝永磁極模型基波/T畸變率/%鐵極基波/T畸變率/%合成基波/T畸變率/%0AT0．9109．16000．45518．321000AT0．79015．430．8209．670．80512．162000AT0．67021．971．27010．720．97514．16-1000AT1．11018．69-0．8209．670．14567．65表中負(fù)號表示鐵極與永磁極磁場方向相反；計(jì)算磁場波形畸變率時(shí)只考慮了3、5、7次諧波

2 三維有限元仿真分析

為了考慮CPPM電機(jī)軸向磁路的影響，下面采用三維有限元仿真方法。建立50 kW CPPM電機(jī)的三維有限元分析模型。CPPM電機(jī)定子繞組不通電流，轉(zhuǎn)子永磁極內(nèi)置釹鐵硼磁鋼，定子側(cè)勵(lì)磁繞組分別加上0、1000 AT、2000 AT和﹣1000 AT直流磁動(dòng)勢。圖6為四種勵(lì)磁條件下CPPM電機(jī)氣隙磁場的三維仿真曲面，圖7～10為CPPM電機(jī)永磁極和鐵極處的徑向氣隙磁密分布曲線，表2為徑向氣隙磁密的傅立葉分析結(jié)果。

(a)0 AT

(b)1000 AT

(c)2000 AT

(d)-100 AT圖6 三維仿真結(jié)果

(a)永磁極

(b)鐵極圖 7 0 AT徑向氣隙磁密及傅立葉分析

(a)永磁極

(b)鐵極圖 8 1000 AT徑向氣隙磁密及傅立葉分析

(a)永磁極

(b)鐵極圖 9 2000 AT徑向氣隙磁密及傅立葉分析

(a)永磁極

(b)鐵極圖 10 -1000 AT徑向氣隙磁密及傅立葉分析

從表2數(shù)據(jù)可以看出：

1)增磁勵(lì)磁安匝加大時(shí)，鐵極處基波磁密增加，永磁極處基波磁密略有減小，合成基波磁密增大，與二維仿真規(guī)律相同；去磁勵(lì)磁安匝增加時(shí)，鐵極處基波磁密減小，但并未反向，這與二維仿真規(guī)律不同，永磁極處基波磁密略有增大，合成基波磁密減小。

2)增磁勵(lì)磁安匝從0升至1000 AT，合成基波磁密從0.533 T升至0.785 T，上升47%。二維計(jì)算時(shí)增磁勵(lì)磁安匝從0升至1000 AT，合成基波磁密從0.455 T升至0.805 T，上升77%，比三維計(jì)算結(jié)果高出30%。其原因一是零勵(lì)磁時(shí)二維計(jì)算鐵極處磁密為0，三維計(jì)算鐵極處磁密為0.217 T；二是考慮軸向磁路影響后1000 AT勵(lì)磁時(shí)三維計(jì)算合成磁密為0.785 T，低于二維計(jì)算結(jié)果(0.805 T)。

3 仿真結(jié)果比較

綜合表1、表2可得CPPM電機(jī)二維和三維空載氣隙磁磁場仿真結(jié)果比較(表3)。

表2 CPPM電機(jī)徑向氣隙磁密的傅立葉分析結(jié)果

表3 CPPM電機(jī)二維和三維空載磁場仿真結(jié)果比較

從表3可以看出：

1)CPPM電機(jī)勵(lì)磁電流增磁1000 AT時(shí)，二維和三維空載磁場仿真結(jié)果誤差相對較?。? AT、增磁2000 AT時(shí)，鐵極區(qū)域氣隙磁密二維和三維仿真結(jié)果誤差較大；弱磁-1000 AT時(shí)，二維和三維空載磁場仿真結(jié)果誤差相當(dāng)大。以上結(jié)果說明：二維等效模型比較適合計(jì)算CPPM電機(jī)增磁、特別增磁磁動(dòng)勢較小，徑向磁路不飽和時(shí)的磁場；對于弱磁時(shí)磁場，由于CPPM電機(jī)存在明顯的軸向磁場分量，不宜用二維等效模型分析，應(yīng)選擇三維有限元分析方法。

2)從三維仿真結(jié)果可知，當(dāng)勵(lì)磁安匝變化時(shí)，無論是鐵極區(qū)域，還是永磁極區(qū)域氣隙磁密的畸變率變化較小，CPPM電機(jī)調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)對氣隙磁場波形影響較小。普通內(nèi)置永磁同步電機(jī)弱磁時(shí)波形畸變率加大，導(dǎo)致銅鐵耗增加，效率下降，溫升上升，可見，CPPM電機(jī)調(diào)磁性能明顯優(yōu)于永磁同步電機(jī)。

3)根據(jù)三維磁場仿真結(jié)果，CPPM電機(jī)勵(lì)磁安匝從0增至1000 AT增磁時(shí)，合成基波磁密從0.553 T降至0.785 T，增大0.252 T，基波磁場增加了32 %；CPPM電機(jī)勵(lì)磁安匝從-1000 AT降至0 AT弱磁時(shí)，合成基波磁密從0.546降至0.533 T，減小0.013 T，基波磁場只減小了2.4 %。這表明CPPM電機(jī)增磁調(diào)磁能力明顯大于弱磁調(diào)磁能力；另一方面，該臺CPPM電機(jī)弱磁調(diào)磁效果很差，說明其軸向磁路存在比較嚴(yán)重的飽和現(xiàn)象。

4 結(jié)論

CPPM電機(jī)磁場有限元仿真結(jié)果表明：

1)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁安匝來改變鐵極區(qū)域的氣隙磁場，CPPM電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)增磁或弱磁，同時(shí)也會對永磁極區(qū)域的氣隙磁場產(chǎn)生一定的去磁作用；

2)CPPM電機(jī)增磁磁通主要走徑向磁路，調(diào)磁能力較強(qiáng)；弱磁磁通主要走軸向磁路，調(diào)磁能力較弱；

3)調(diào)節(jié)勵(lì)磁安匝對CPPM電機(jī)氣隙磁場波形影響較小，氣隙磁密畸變率基本不變；

4)CPPM電機(jī)增磁時(shí)可采用基于雙電機(jī)二維等效模型的有限元分析方法，但弱磁(包括零勵(lì)磁)時(shí)應(yīng)選擇三維有限元分析方法。

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[責(zé)任編校：張巖芳]

TheFiniteElementSimulationAnalysisof50kWCPPMMotoronMagneticField

LI Xinhua， CHEN Jiawei, WANG Lihui

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering，HubeiUniv.ofTech.，Whuan430068,China)

With both radial and axial magnetic field, the special structure of CPPM motor leads to complex magnetic field distribution, which makes the computation of magnetic field comparatively more difficult. In this paper, based on new energy vehicles driven 50 kW CPPM no-load magnetic field is used to calculate, for example, using finite element analysis software of ANSOFT Corporation, discusses CPPM motor two-and three-dimensional finite element simulation, and the results are compared and analyzed, and draw some useful conclusions.

Consequent-pole permanent-magnet machine；magnetic field；finite element simulation；distortion rate；error analysis

2016-10-31

李新華(1959-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)橄⊥岭姍C(jī)研究及控制

1003-4684(2017)05-0077-05

TM301.4

A