基于Ansoft的IPM永磁同步電動機磁場計算

李 勇，姜新通，史慶夫，酒晨霄，劉彥彬，陸永平

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

隨著電力電子技術、稀土永磁材料和控制理論的飛速發展，永磁同步電動機在中低容量的運動控制系統中得到了廣泛的應用，尤其是在伺服傳動領域，永磁同步電動機正在逐步取代直流電機、步進電機而成為伺服驅動的發展方向。在交流同步伺服驅動系統中應用的交流永磁伺服電動機有兩大類，一類是無刷直流電動機(BLDCM)，其定子繞組中的電流是方波電流;另一類是交流永磁同步電動機(PMSM)，它定子繞組中的電流是三相正弦波形。相對而言，由于三相永磁同步電動機的線感應電動勢波形為正弦波，在定位力矩、力矩波動、噪聲等各方面性能更優越，因而在精密伺服驅動領域應用更為廣泛。

永磁同步電動機的磁場來自于電機轉子上的永久磁鋼，而氣隙磁場的分布在很大程度上決定了電機的特性好壞，因而氣隙磁場設計一直是永磁同步電動機的核心問題之一，對電機性能具有重要影響。在永磁同步電動機轉子上安裝永磁體的方式主要有兩種，一種是將磁鋼裝在轉子表面，即表貼式(SPM);另一種是將磁鋼埋入轉子里面，即內置式(IPM)。兩者各有優缺點，相對來說，IPM永磁同步電動機具有轉動慣量低、機械結構穩固、動平衡性能好等優點，更適宜于在較高轉速的驅動領域應用。

本文結合具體科研項目，從IPM永磁同步電動機的Ansoft建模入手，研究了IPM永磁同步電動機的磁場分布規律，以及磁極分布形式、磁極個數等參數對電機性能的影響，尤其重點討論了磁鋼形狀和兩極情況下的永磁同步電動機磁場分布規律。本文的研究結果對促進IPM式永磁同步電動機的工程應用具有參考價值。

1 IPM永磁同步電動機磁場分布特點

1.1 Ansoft軟件介紹

常用的計算電機中電磁場的大型軟件有Ansoft、Ansys、Flux 等，其中尤以 Ansoft Maxwell最為流行。Maxwell有2D和3D兩種模型，可以計算交直流電磁場、瞬態電磁場、應力場等多種場域。另外，Ansoft Maxwell還可以結合外接電路進行基本性能的仿真計算，如電磁轉矩、電壓調整率等。

對于一般性的電機設計問題，建立二維的2D模型得到的計算結果足以滿足設計需要。本文就是采用了2D模型進行計算。

1.2 IPM永磁同步電動機的Ansoft模型

一個30槽4極“V”型磁鋼的永磁同步電動機的Ansoft 2D計算模型如圖1所示，其中定轉子硅鋼片材料選用DW470－50，磁鋼材料選用38SH。

根據上述模型，分別在Ansoft軟件中對永磁磁鋼和勵磁繞組等部分的屬性進行定義，則可以分別計算得到該同步電機的直軸磁場(對應磁鋼充磁，定子繞組不通電，ψd=定值，ψq=0)和交軸磁場(對應磁鋼不充磁，定子繞組通三相交流電，ψd=0，ψq=定值)分布圖如圖2所示。

圖1 IPM永磁同步電動機的2D磁場計算模型

圖2 IPM永磁同步電動機的直軸和交軸磁場分布

由圖中磁力線的分布規律可以看出，內置式永磁同步電動機的交軸磁通主要都通過永磁體中心的對稱區域，而且磁力線的方向是與直軸磁場正交的。因此，如果要減少交軸磁場的影響，就要在永磁體中心區域設置輔助槽來調節和控制交軸磁路，進而達到最后調節氣隙磁密的效果。這種磁場分布特點是內置式特有的，是與表貼式完全不同的。

1.3 IPM永磁同步電動機的磁場計算結果

永磁同步電動機最主要的特性就是輸出特性，包括外特性和效率特性。和外特性密切相關的是反電勢系數和各個阻抗，和效率特性密切相關的則是電機各部位的損耗。電機的反電勢波形取決于繞組分布和氣隙磁密分布，而損耗則直接取決于電機定轉子齒、軛等處的磁密。所以，磁場計算的最主要目的，就是得到永磁同步電動機氣隙磁密、軛部磁密、齒部磁密以及線反電勢波形。

對應圖1中的計算模型，通過Ansoft軟件的后處理程序，得到該電機的氣隙磁密、軛部磁密、齒部磁密以及線反電勢如圖3～圖6所示。

由圖中的計算結果可以看出:

(1)空載氣隙磁密的波形較平，而且在角度為90°左右時畸變比較明顯。這主要是因為在這個角度存在輔助槽，使得此處的轉子內部磁場高度飽和，進而導致徑向磁密畸變。

(2)負載情況下電樞反應的存在引起了各部分磁密分布的畸變。不管是氣隙磁密還是軛部和齒部磁密，在一個極距內波形不再平頂，會出現略微的相位偏移。半邊波形幅值的提高使得各磁密的平均值也略有增高。

(3)對于我們最關心的反電勢、空載和負載情況下線反電勢的特點是波形變化不大但數值上略有下降。根據圖中的波形可以計算得到空載和負載時電機的線反電勢系數:kelp0=0.002 1 V/(r·min－1);kelp1=0.002 0 V/(r·min－1)，即下降了5%左右。考慮到空載計算比較便利，進行方案對比時以空載計算的比較為準，只需要把負載時的下降趨勢考慮進去即可。

2 轉子磁鋼形狀的影響研究

對于IPM永磁同步電動機來說，為了充分利用轉子空間，一個磁極往往要采用多段式結構。磁極的形狀不同，形成的磁場分布規律也不同，因而設計出結構合理的磁鋼形狀對這種電機是最重要的。在使用同樣材料的前提下，一個比較好的方案應該是盡量采用比較簡單的工藝和獲得盡量高的電勢系數，這是方案對比的標準。

磁極數比較少時，獲得好的磁場分布規律相對更困難一些。對于一臺2極電機，對應相同定子結構，轉子磁鋼采用兩段、三段、四段三種形狀時，電機的有限元模型和線反電勢波形如圖7、圖8、圖9所示，各圖的計算模型中標示出了磁極的極性。

對比三種計算結果，可以得到如下結論:

(1)從氣隙磁密的波形來看，諧波含量最少的是每極四段W型結構，其次是二段V型和三段梯形。

(2)從氣隙磁密的大小來看，基波幅值最大的是三段梯形，其次是二段V型和四段W型。

(3)三段梯型結構產生的磁密幅值較大，但頂部類似于平頂波，而且容易達到飽和。

因此，對三段梯型結構進行改進，保持其幅值大的優點，改善其波形平頂的缺點，應該是最佳的選擇。

3 轉子磁極數的影響研究

永磁同步電動機設計時，如果增加磁極數，則電機中的漏磁通比例會相對下降，力矩系數會增大，電機的效率也會有所增加。但磁極數太多也存在明顯的缺點，比如磁通交變頻率增加會導致鐵損的大幅度增加，電路損耗也會增加。

對于相同的外形尺寸和性能要求，所設計的一臺4極電機對比方案的空載氣隙磁密波形和線反電勢計算結果如圖10所示。對應2極和4極，空載氣隙磁密分別為0.6 T和0.8 T，單匝線反電勢系數分別是0.001 5 V/(r·min－1)和0.002 1V/(r·min－1)。

圖10 一臺4極電機的磁場計算結果

由計算結果進行比較可知:

(1)電機的磁極數越少，軛部的局部飽和越嚴重，設計時越要進行磁路結構調整。

(2)電機的磁極數越少，磁路的漏磁占的比例越大，氣隙磁密數值越低。

(3)在一定范圍內，磁極數的增加有利于增大線反電勢大小，并改善其波形。

4 結 語

根據上述計算和分析，本文研制了18.5 kW的永磁同步電動機樣機，并進行了實驗測試。測試架上的樣機如圖11所示，樣機測試線圈的線反電勢波形如圖12所示，其數值大小和計算結果是相符的。

本文以ANSOFT有限元計算為基礎，研究了內置式永磁同步電動機的磁場問題。計算結果表明，一般情況下，當磁極數較少時每極四段W型磁鋼結構為首選，當磁極數較多時每極二段V型磁鋼結構為首選。兩極IPM永磁同步電動機的磁場特性不理想，應當以4極結構為首選。樣機的測試結果證明了所做計算的正確性。

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