基于Ansoft的車用永磁同步電機電磁場仿真

摘 要：隨著新能源汽車的發展，永磁同步電機得到了廣泛應用。由于其磁場空間分布的復雜性，往往在電機結構設計階段帶來較大的困難，本文基于Ansoft軟件提出一種永磁同步電機有限元模型進行電磁場仿真方法，準確計算電機的主要性能和參數，為電機優化設計提供可靠依據。

關鍵詞：永磁同步電機；Ansoft；電磁場仿真

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

0 引言

在永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）產品設計驗證階段，通過有限元仿真的方式來分析電機電磁場仿真結果，能有效的的替代繁瑣耗時的實驗分析，為產品的設計和優化提供可靠的依據。作為電機電磁場有限元仿真軟件之一的Ansoft/Maxwell基于是麥克斯韋微分理論，通過將有限元劃分成離散空間分布，將電磁場的求解計算轉變為數學形式上的矩陣求解，提高電機有限元仿真的準確性，除此之外，其擁有豐富的參數設計和仿真功能，在永磁同步電機設計中應用廣泛。

本文以車用的電驅動系統中永磁同步電機作為研究對象，通過建立有限元模型，進行有限元電磁場仿真，從而獲取電機運行時的轉矩、電流、功率特性以及電感等結果，為優化設計提供可靠依據。

1 基于Ansoft的PMSM有限元模型建立

建立準確的PMSM有限元仿真模型是對電機準確電磁場分析的關鍵。在PMSM有限元模型的設計中，將定子尺寸通過Ansoft/Maxwell軟件中RMxprt參數化模塊生成定子模型和繞組方式。轉子部分則通過AutoCAD畫出并導入到Ansoft/Maxwell中，然后分別設定相應的面域和材料屬性，并設定永磁體的磁場方向，通過網格劃分完成模型的建立。

2 基于Ansoft的PMSM有限元電磁場仿真

在建立完成PMSM有限元模型后，采用三相對稱正弦電流激勵的方式，在穩態工況下，完成PMSM有限元模型的基本電磁場仿真。為保證設定的A、B、C三相激勵電流為對稱正弦，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，從而使定子電流產生的電樞磁場與永磁體產生的勵磁磁場保持穩態的同步旋轉速度。

根據電機運行的周期性，設定仿真時間為一個電周期，即10ms，考慮到仿真的時間的長短，設仿真步長為0.05ms。那么在一個仿真周期內，可以得到201電角度下的基本電磁場仿真結果。圖2～圖3所示為電磁轉矩、三相電流和三相反電動勢在一個電周期內變化的電磁場仿真結果。

圖1所示為穩態電流激勵下所產生的的轉矩，在該工作點下，平均轉矩為34.2Nm，轉矩的波動為±3.1Nm，在一個電角度周期內，轉矩包含6次和12磁諧波。

在實際的電機設計中，還需要考慮電機在整個工況下的效率情況以及不同工況下其對應的磁場參數變化情況。通過Ansoft＼Maxwell中的UDO（User Defined Outputs）和Toolkits這兩個插件可進行永磁同步電機外特性曲線，功率MAP圖和電流電感曲線的分析。圖2和圖3所示為電機功率MAP圖和電流-電感圖。

圖2直觀的顯示永磁同步電機在不同工況下，其運行的功率特性，從圖中可以看出，當電機運行在轉矩為30Nm和轉速為7768rpm附近的工作區域時，電機的工作效率最高，達到93.3%，在低速大扭矩和高速小扭矩工況下，電機的工作效率最低。同時該電機的基速為7768rpm，電機的最高轉矩為100Nm。當電機轉速小于基速時，電機運行在恒轉矩區域，當電機轉速大于基速時，電機運行在恒功率區域。

圖3所示為dq軸電感隨相電流的變化情況。當相電流為50A時，電機處于輕度磁飽和中，d軸電感和q軸電感分別為197uH和520uH，當相電流為400A時，dq軸電感減少為160uH和300uH。當電機定子電流增加時，電機整個磁路處于非線性飽和區，磁導率下降，d軸電感減少，同理，q軸電感也會減少，由于PMSM為內嵌式電機，交直磁阻不相等，由于q磁阻較小，受到磁飽和的影響更嚴重，所以q軸電感減小更快。

4 結語

通過使用Ansoft軟件及其UDO和Toolkits這兩個插件可準確的獲得永磁同步電機仿真過程中轉矩、電感和反電動勢等電磁參數，同時還可分析電機整個工況下的功率MAP圖和MTPA曲線。這一方法為電機的結構設計和控制提供了可靠的依據，有效節省了前期電機開發的時間。

參考文獻：

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作者簡介：周英坤（1993-），廣西南寧人，碩士研究生，研究方向：新能源汽車電驅動系統建模及控制。