劉鵬，張晶碩，劉儒，杜憲峰

（遼寧工業(yè)大學，遼寧 錦州 121000）

引言

永磁同步電機具有功率效率高，噪聲低，可靠性高的特點，極限轉(zhuǎn)速和制動特性也比較優(yōu)良，是以被作為優(yōu)選廣泛應(yīng)用于泵，風扇和新能源汽車等。電磁場分析是電機在設(shè)計過程中最基礎(chǔ)部分，其分析結(jié)果的準確性不但會影響到電機性能還會影響到在優(yōu)化過程的難易程度。本文應(yīng)用電磁場數(shù)值計算法中的有限元法，利用ANSYS 軟件對該款永磁同步電機經(jīng)過前處理、求解設(shè)置以及后處理三個步驟的輸入，然后對其進行電磁場分析。

1 有限元法

有限元法是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法，它的原理是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題[1]。本文分析研究所使用的ANSYS 軟件就是基于有限元法融結(jié)構(gòu)、電場、磁場、聲場分析于一體的通用分析軟件，具有求解方便、精度高、收斂性好等優(yōu)點。

2 永磁同步電機有限元分析

2.1 求解方程

永磁同步電機有限元電磁研究是以麥克斯韋方程組為理論基礎(chǔ)，所以對永磁同步電機內(nèi)部的電磁場的分析和計算都可以轉(zhuǎn)化為解麥克斯韋方程組根的問題。在靜態(tài)電荷中，麥克斯韋方程組一般以微分的方式出現(xiàn)：

式中：

H-磁場強度(A/m)；J-電流密度(A/m2)；D-電位移矢量(C/m2)；B-磁感應(yīng)強度(T)；ρ-電荷密度(C/m3)。

2.2 建模及前處理

本文以一款48 槽8 極的永磁同步電機為例，為了減少計算量，加快計算速度，在不影響計算結(jié)果的情況下，只對其八分之一模型（圖1）即只含有一對極的情況，進行包含單元類型選擇、材料屬性定義、建模、給各面賦予材料屬性、剖分生成有限元模型在內(nèi)的前處理分析：

圖1 八分之一模型

定轉(zhuǎn)子沖片材料為根據(jù)輸入若干個（B，H）值，生成B-H磁化曲線的 DW250＿35；定子繞組為相對磁導率為0.999991，電導率為45000 的多股銅線材料；永磁體磁鋼為相對磁導率值是1.04707 的釹鐵硼材料；其他部分定義為電導率為0，相對磁導率為1 的空氣材料。網(wǎng)格剖分。所劃分網(wǎng)格的大小和質(zhì)量與計算結(jié)果的精度息息相關(guān)，網(wǎng)格剖分的越小，精算精度越大。磁鋼與其他部分所需精度要求不一樣，剖分精度為3.14mm，而其他部分的剖分精度為21mm。

2.3 求解及后處理

對模型施加第一類邊界條件，即狄利克萊條件，即使邊界上滿足AZ=0，磁力線平行于邊界。使用求解器求解在停止時間為5ms，時步長為0.05ms 情況下的解，再將所得結(jié)果輸入后處理器進行處理。

3 電磁場分析

3.1 瞬態(tài)電磁場分析

表1 模型電機主要參數(shù)

根據(jù)表1 的該電機的主要參數(shù)，由后處理器處理后，保存在該情況下的瞬態(tài)磁力線分布圖和磁場云圖（圖2），以及氣隙磁密圖（圖3）。

圖2 靜態(tài)磁場云圖和磁力線圖

圖3 靜態(tài)氣隙磁密圖

3.2 瞬態(tài)電磁場分析

在其他條件均不改變的情況下，將計算電流改為額定電流460A，進而對該模型繼續(xù)進行計算求解，并保存在該條件下的齒槽轉(zhuǎn)矩（圖4）以及在轉(zhuǎn)矩最大時刻的磁場云圖（圖5）。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖可知，當t=0.72s 時，轉(zhuǎn)矩圖像達到峰值，峰值約為153T 左右。

圖5 轉(zhuǎn)矩最大時磁場云圖

4 結(jié)論

利用有限元軟件ANSYS 對一款48 槽8 極的永磁同步電機進行建模仿真，可以分析電機的整個運行過程，本文通過有限元法只分析最基礎(chǔ)的電磁場問題，很好的驗證了定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計。相比較傳統(tǒng)的分析方法，處理速度更快，計算精度更高，分析結(jié)果更加直觀，為以后成機的優(yōu)化節(jié)省了人力物力，也為包括振動噪聲分析在內(nèi)的其他研究奠定了基礎(chǔ)。