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基于Maxwell12的稀土永磁同步电机设计优化


理论与设计

基于Maxwell 12的稀土永磁同步电机设计优化
胡强晖 王大伟 徐书凯 胡勤丰
南京航空航天大学(210016) Design Optimization of Rare Earth Permanent Magnetic Synchronous Machine Based on maxwell 12 Hu Qianghui

Wang Dawei Xu Shukai Hu Qinfeng

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics



要: 针对传 统的场路耦合法设计, 永磁同步电

程是采用场路耦合法对电机进行等效计算, 但是 这种方法在稀土永磁电机的设计中存在着难以 得到准确的磁路计算结果、 设计结果和实际电机 相差比较大、 研发周期长、 成本高等缺点。 随着 数值计算和仿真技术的不断发展, 采用磁路法和 有限元方法相结合对电机的电磁场进行分析和 计算, 可获得更加准确的计算结果, 同时缩短研 发周期、 节约成本。 本文利用Ansoft公司最新版的Maxwell 12仿 真软件建立永磁同步电动机模型。 它结合了基于 磁路法设计旋转电机的R m x p r t软件和基于有限 元法的电磁场计算软件Maxwell 12。 本电机在保 证其他参数不变的情况下, 通过改变永磁体磁化 方向长度和气隙大小进行分析, 并通过两个软件 进行仿真对比, 从而使得电机的设计更加合理。 本文只通过研究二维电磁场对稀土永磁同步电 机进行设计和分析。

动机 磁 路计 算 不 准确的问题, 采用永磁电 机设计软件 Ma x wel l 12完成对永磁同步电动机的设计优化。 首先用 该软件中的磁路法设计软件R m x p r t进行设计, 对其中永 磁体 磁化方向长度和气隙对电机性能的影响作进行分 析; 然后再用其中的有限元分析软件M a x wel l2D对永磁 同步电动机的电磁 场 进行仿真,对 设计 进行合 理性分 析, 最后结合两者的结果完成电机的优化设计。 关键词: 永磁同步电动机 磁路法 有限元法 优 化设计 Abstract: Owing to the non-accuracy of the magnetic circuit calculation of the PM synchronous machines by the traditional field-path coupling method, the Maxwell 12, a kind of new designing software for the PM synchronous machines was applied to realize the design optimization for the PM synchronous machines. First, the magnetic method software, Rmxprt was used to analyze the affection to the motor performance caused by the magnetized direction of permanent magnet length and gap. Then, the ?nite element analysis software of Maxwell 12 was applied to simulate the electromagnetic ?eld of the PM synchronous motor, judging the rationality of the design. Finally, came the design optimization by means of the combined method. Keywords: Permanent magnet synchronous motor  Mag net ic ci rcu it met hod Optimized design Fi n ite element met hod 

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电机设计和优化
根据永磁同步电动机的设计指标, 首先通过

M a x wel l 12中的R M x p r t软件进行电机设计, 它 能快 速 提供基于磁路法的分析结果, 然后观察 电机主要参 数 对磁密和电机特性的影响, 相应 调整电机尺寸和绕组结构得到最佳电机设计方 案。 本电机设计要求的额定功率为3kW, 额定转
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稀土永磁电动机因为永磁体有很高的磁能、 单位体积力能指标高、 电磁负荷高、 电机尺寸小 等优点得到越来越快的发展。 传统的电机设计过

理论与设计
矩9N m, 额定转速3000r/m i n, 极对数为5, 频率 250Hz, 效率不低于90%。 1.1 永磁材料的选择 永磁体的发展直接影响着永磁电机的发展。 特别是稀土永磁体的发展使电机具有体积小、 重量轻、 性能稳定等优点。 但稀土永磁体的价格 较高, 占电机制造成本的百分比较大, 永磁体的 用量在很大程度上影响着永磁电机的成本。 如果 永磁体体积设计过大, 会增大电机成本; 但是, 如果设计过小, 又会影响电机的性能, 使电机达 不到设计要求。 根据需要, 本电机的励磁选用钐 钴Y XG-28。 它的特点是剩磁感应强度B r、矫顽 磁力Hc及最大磁能积(BH)m a x均极高。 为了提 高永磁体的利用率, 永磁体磁能工作点的选择非 常重要。永磁体磁 能最佳利用工作点是 使 永磁 体向外 提供的有 效磁能积 达 到最大的点。在这 点工作时要获得同样的磁 能积, 则需要的体积 最小。 实践证明, 永磁工作点的不同对电机的性 能有多方面的影响, 例如: 工作点不同, 永磁体的 体积就不同, 进而影响转子漏磁和电磁特性; 它 同时也影响气隙磁场分布情况, 从而影响电势波 形; 等等。 对于钐钴Y XG-28永磁材料它的最佳工作点 是磁能积在210kJ/m , 剩磁在1.05T左右。
表1 剩磁 T 1.03~1.08 居里温度 ℃ 800 YXG-28钐钴永磁材料的磁性能 矫顽力 kA/m 756~796 最高工作温度 ℃ 300 内禀矫顽力 kA/m ≥1433 剩磁温度系数 %/K -0.03 最大磁能积 kJ/m 3 207~220 内禀温度系数 %/K -0.2
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h m —磁极厚度(磁化方向长度) ; δ i —电动机的技术气隙长度; τ—电动机转子极矩; α p —极弧系数; bm —每极永磁体宽度。 由式(1)知, 气隙磁密和永磁体磁化方向成 正比, 增加磁极厚度可以增大气隙磁密, 因此在 磁路结构设计上提高电动机的性能有很大灵活 性。 在其它参量不变只改变永磁体的厚度的条件 下, 通过maxwell 12中的RMxprt软件来进行仿真 对比电机特性参数变化, 如表2所示。
表2 磁极厚度 mm 每相线电压 V 输入直流电流 A 定子齿磁密 T 定子轭磁密 T 气隙磁密 T 5 89.7046 30.022 1.45826 1.07655 磁极厚度变化对电机的影响 6 92.0724 30.1035 1.5209 1.11797 7 93.5087 30.1934 1.56166 1.149 1.04494 8 94.372 30.3723 1.59287 1.1732 1.06582 9 94.9262 30.3349 1.61699 1.19298 1.08195 10 95.3361 30.3856 1.63577 1.20968 1.09452

0.982436 1.01766

直、交轴同步电抗 Ω 0.333062 0.322797 0.314963 0.30878 0.303771 0.299628 最大输出功率 w 10093.9 效率 % 90.881 10637.5 90.6035 11037.1 90.3449 11339.6 90.1341 11577.2 89.9645 11773.6 89.8229

由表2可看出, 磁化方向长度h M 的变化对电 动机的性能有很大的影响。 其中气隙磁密随着磁 这和式(1)相符, 化方向长度h M 的增加而变大, 而定子齿和轭的磁密也随着增加。 因此h M 的值 的选择应使电动机的各个参数比较合理, 既要保 证气隙磁密足够大又要减小定子齿轭磁密以使 h 永磁体工作于最佳工作点。 M的厚度不能太小, 因为h M太小将导致永磁体生产的废品率上升, 永 磁体成本提高, 且不易运输和装配; 另一方面h M 太大将使其易于退磁。 根据各方面的综合, 选取 h M为8mm。 1.3 气隙大小对永磁同步电动机性能的影响 气隙长度δ是电机设计的另一个非常重要的 参数。 对永磁同步电动机尤其重要, 它不仅影响 电动机的电气性能, 而且影响制造成本。 适当的 加大δ值, 在一定程度上可以减小气隙磁场谐波 分量和杂散损耗, 但会使极间漏磁通变大, 气隙 有效磁通变小, 永磁体的利用率降低, 电机的性 能会变差。 减小δ值, 可以提高永磁同步电动机的

1.2 永磁体磁化方向长度对永磁同步电动机性能 的影响 对于表面式转子磁路结构, 其永磁体的尺寸 可近似由式(1)和式(2)表示: Br/B δ -1 bm=α pτ h m= μr δi (1) (2)

式中: Br/B δ—永磁体剩磁密度与气隙磁密之比 一般取为1.1~1.35;
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抗去磁能力, 减少极间漏磁通, 提高气隙有效磁 通和反电势E 0, 减少永磁体用量, 但气隙磁场的 谐波分量相对会增大, 同时也增加制造和装配难 δ的取值还与永磁 度, 增加电动机的振动和噪声。 Hc值比较大, δ值可以 体的内禀矫顽力Hc有关。 H δ值要取小点。 δ的取值 取较大点; c值比较小, P越大, 还与额定功率P的大小有关, 此外δ值应 取大。 一般稀土永磁同步电动机气隙长度通常比 同等规格的异步电动机气隙大一些。 根据实践经 验, 当δ值增大0.01c m, 杂散耗减少1.5%~1.7%左 右, 因此δ的选取是各方面综合的结果。 一般永磁 电机取 δ≈4.7D i1/ 10 -3 (3) D 式中: i1—定子内径 在其它参 量不 变只改变 气 隙长度δ 的条 件 下, 通过maxwell 12中的RMxprt软件来进行仿真 对比电机特性参数变化, 如表3所示。
表3 δ mm 每相线电压 V 输入直流电流 A 定子齿磁密 T 定子轭磁密 T 转子轭磁密 T 气隙磁密 T 直交轴同步电抗 Ω 最大输出功率 w 不同气隙大小对电机性能的影响 0.8 98.1994 30.478 1.62505 1.21372 0.708867 1.09268 0.309775 11666.1 1 94.372 30.3723 1.59287 1.1732 0.697122 1.06582 0.30878 11339.6 1.2 90.6772 30.1375 1.56136 1.13448 0.686042 1.03966 0.307839 11013.4 1.4 87.0913 30.0688 1.53036 1.09736 0.675543 1.0141 0.306943 10691 图2 磁力线图

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Maxwell 2D有限元的设计分析
通过Ma xwell 2D仿真来论证磁路法设计的

合理性并对电机 进行优化。 使电机设计更加准 确, 最重要的是节约了研发的成本。 它不仅可以 对电机进行稳态仿真, 而且可以进行瞬态实时的 仿真, 过后处理器可以对电机的合理性 进行 通 计算分析。 本电机的瞬态仿真采用施加三相电流 分别为22 cos(2×180×250×t) 22 、 cos(2× 180×250×t +120)、22 c o s(2×180×250×t -120) 在步长T=0.0001s的条件下进行。 , 图2是电机的磁力线分布图。 永磁体发出的 磁通分为有 效磁通和漏磁通。 效磁通通 过气 有 隙参与能量转换, 漏磁通通过漏磁路而闭合。 每 对极的磁路由有效磁路和漏磁路并联而成。 通过 图2可以看出漏磁链较小, 因此从漏磁的角度看 设计是比较合理的。

图3是磁密云图。 永磁同步电动机的磁势由 永磁体励磁, 不象电磁式同步电机励磁可任意调 节。 它的工作点与电机磁路参数有关, 且显著地 受到电枢反应的影响, 而电枢反应又影响永磁同 步电机的性能。 我们设计的电机应该保证永磁体 工作在最佳工作点。 通过图3可以看出, 电动机在 去磁最严重时, 永磁体各点的磁密值都高于退磁

由表3可看出在电机外 径、 内径、 槽数和极 δ影响气隙磁密、 对数等确定的情况下, 定子齿磁 密、 定子轭磁密、 直交轴同步电抗 X a d、X a q 的等 大小。 定子齿轭部的磁密、 气隙磁密随着δ的变 大而减小。 根据钐钴Y XG-28永磁材料的特性, 选取δ为1mm, 最终的电机模型如图1。

图1

电机模型

图3

磁密云图

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理论与设计
曲线拐点处的磁密值, 永磁体不会出现退磁的情 况。 图4为气隙磁密分布曲线, 可以看到由于结 构和齿槽效应等原因, 永磁同步电机的气隙磁密 谐波较为丰富, 曲线有明显的波动。 但电动机的 气隙磁场波形的各次谐波的幅值较小, 磁密波形 ANSOFT有限元软件有强大功能, 接近于正弦。 可以得到任意时刻的气隙磁密、 磁力线分布等曲 线, 为对电动机 进行优化设计提 供了极大的便 利。 图5为永磁同步电动机三相绕组的反电动势
1.2 1 0.8 B/T 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 mm 40 50 60

波形, 图6为磁链波形。 从仿真结果可以直观地看 到电机内部磁场的分布情况及电机的运行特性, 从而判断电机设计的合理性。

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结论
本文运用最新的Maxwell 12软件先设计了一

台永磁同步电机, 验证永磁体磁化方向长度和气 隙对电机性能的影响, 仿真结果比较准确地反映 了永磁同步电动机的磁场分布及反电动势等 特 性, 并得出以下结论: (1)永磁体的类型和尺寸大小直接影响电 机的功率和体积大小。 磁体的体积并不是越大 越好。 (2)永磁电机由永磁铁向外提供磁能, 以气 隙磁场作为媒介进行机电能量转换。 选择合理的 气隙大小可以提高磁体的利用率和电机的效率又 可以减少电枢反应对电机的影响。 (3) 电机的电磁场分布比较合理, 磁场饱和 区域很少。 总之, 合理的设计(包括电磁和结构设计) , 应使永磁体的磁性能得到充分利用, 使电机达到 最高的效能值, 并减小电机的体积和重量, 降低 电机生产成本。

图4

气隙磁密分布曲线
Back EMF vs Time

100 a 50 emf/V b

c

0

-50


-1000 0.005 t/s 0.01 0.015







1 李钟明, 刘卫国等著. 稀土 永磁电机[ M ]. 北京: 国防工 业出版 1999. 社, 2 王秀和. 2007. 永磁电机[M]. 中国电力出版社, 3 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1997. 4 赵 强, 赵争鸣, 高徐娇. 永磁电机中永磁体尺寸优化设计[J]. 电 2001, 3. 机电器技术, 5 刘国强, Ansoft工程电磁场有限元分析软件[M] 赵凌志, 蒋继娅. 2005(5) 93~94. 北京: 电子工业出版社, : 6 王旭红, 汪建平. 永磁同步电动机的研制及优化[J]. 湘潭大学自 2009, 9. 然科学学报, 2009-08-31) (收稿日期: 作者简介: 胡强晖, 南京航空航天大学电气系在读研究生, 男, 电机 与电器专业, 研究方向为永磁同步电动机的伺服控制。

图5 三相反电势波形
Flux Linkage vs Time a b c

0.008 0.006 0.004 flux/Wb 0.002 0 -0.002 -0.004 -0.006 -0.0080

0.005

0.01 t/s

0.015

图6 磁链波形

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