周勇，占鈺濤，戴文星

應(yīng)用研究

基于Ansoft的永磁電機(jī)漏磁系數(shù)仿真準(zhǔn)確性研究

周勇，占鈺濤，戴文星

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

通過(guò)Ansoft仿真平臺(tái)，以一臺(tái)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，分別在二維和三維仿真模型中進(jìn)行漏磁系數(shù)計(jì)算，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。通過(guò)分析不同永磁體厚度下漏磁系數(shù)的變化情況，得出了提升永磁體厚度可以提高永磁體利用率的結(jié)論。

永磁同步電機(jī) 漏磁系數(shù) Ansoft仿真

0 引言

漏磁系數(shù)是內(nèi)置式永磁同步電機(jī)最重要的參數(shù)之一，表示了永磁體的利用率，其大小對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、弱磁調(diào)速能力有重要影響[1～2]。對(duì)漏磁系數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算有利于提高電機(jī)設(shè)計(jì)精度和性能[3～6]。目前對(duì)于漏磁系數(shù)的計(jì)算主要有基于經(jīng)驗(yàn)的路算法和二維有限元法。其中路算法隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和飽和程度的變化增大會(huì)出現(xiàn)偏差，二維有限元法假設(shè)電機(jī)軸向磁場(chǎng)無(wú)變化，忽略了電機(jī)的端部漏磁。

本文以一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，分別建立其二維和三維仿真模型，對(duì)不同永磁體厚底下的漏磁系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證二維有限元法計(jì)算漏磁系數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 漏磁系數(shù)計(jì)算

永磁電機(jī)中，通過(guò)永磁體的總磁通包括與電繞組交鏈的主磁通和不與電樞繞組交鏈的漏磁通，如圖1所示。漏磁系數(shù)表征漏磁通占總磁通的分量比例，反映永磁體的利用率，表示為[7]：

利用磁路積分法可以準(zhǔn)確的計(jì)算磁通：

式中：δ——總磁路積分面積；

m——主磁路積分面積；

δ——總磁路積分面上的磁密；

m——主磁路積分面上的磁密。

當(dāng)忽略端部漏磁，假設(shè)電機(jī)軸向?qū)ΨQ時(shí)，（2）式可表示為：

式中：l——總磁路積分路徑；

m——主磁路積分路徑。

圖1 主磁通及漏磁通線示意圖

2 漏磁系數(shù)有限元分析

本文的研究對(duì)象是一臺(tái)2500 kW內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁電機(jī)基本參數(shù)

在Ansoft18.1中建立此電機(jī)的二維和三維模型，在空載工況下進(jìn)行靜磁場(chǎng)仿真，得到兩種模型下的磁密矢量圖（軸向方向），如圖2所示。從圖中可知，二維和三維仿真結(jié)果一致，且電機(jī)空載磁場(chǎng)在軸向方向上的的變化很小。

圖2 二維和三維仿真磁矢量結(jié)果

在相同的徑向位置分別建立總磁場(chǎng)和主磁場(chǎng)的積分面（三維）和積分路徑（二維），提取此處的磁密波形，分別如圖3和圖4所示。圖3右圖可見(jiàn)，因端部效應(yīng)，主磁通在端部突增。由于積分路徑的徑向方向位置相同，可以用平均磁密來(lái)反映總磁通的大小關(guān)系。利用式（2）和式（3）的方法，求得二維和三維仿真情況下主磁場(chǎng)、總磁場(chǎng)的平均磁密值和漏磁系數(shù)，列于表2中。結(jié)果表明，二維仿真較三維仿真相比，主磁通、總磁通和漏磁系數(shù)均略高，但偏差比較小，故可以利用二維仿真較準(zhǔn)確地進(jìn)行漏磁系數(shù)計(jì)算。

圖3 三維仿真磁磁密波形圖

表2 漏磁仿真分析結(jié)果

3 永磁體厚度對(duì)漏磁系數(shù)影響對(duì)比分析

使用前文所述的方法，對(duì)不同永磁體厚度下的漏磁系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著永磁體厚度的增加，漏磁系數(shù)隨之降低。二維仿真結(jié)果較三維仿真偏高，其差別很小且穩(wěn)定。

圖5 不同永磁體厚度時(shí)的漏磁系數(shù)

4 結(jié)論

本文以一臺(tái)2500 kW內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為例，分別建立其二維和三維仿真模型，對(duì)不同永磁體厚底下的漏磁系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

1）采用二維磁場(chǎng)進(jìn)行漏磁系數(shù)仿真時(shí)，忽略電機(jī)的端部效應(yīng)，假設(shè)電機(jī)磁場(chǎng)軸向無(wú)變化時(shí)，相比于三維磁場(chǎng)仿真，操作簡(jiǎn)單，用時(shí)更少，其差別很小且穩(wěn)定；因此可以使用二維平面場(chǎng)仿真得到精準(zhǔn)的仿真結(jié)果。

2）電機(jī)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，隨著永磁體厚度的增加時(shí)，漏磁系數(shù)則隨之降低，永磁體的利用率顯著提高。

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Research on Ansoft-simulation Accuracy of Permanent Magnet Motor Leakage Coefficient

Zhou Yong, Zhan Yutao, Dai Wenxing

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

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TM341

A

1003-4862（2021）09-0054-03

2020-12-09

周勇（1996-），男，助理工程師。研究方向：機(jī)械制造。E-mail：1286402728@qq.com