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基于Maxwell+2D的单相永磁同步电动机仿真研究


微电机

’* 年 *+

第A 卷 B

第 ;期 / 总第 1 0期 3 -

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基于 !" $%& ( 的单相永磁同步电动机仿真研究 # &’
唐 明. 阎治安
0*-3 1*2 西安交通大学 . 西安 /


要) 基于 45 79 建立了 :( ;型单相永磁电容运转同步电动机 / = !< 的 0 68 公司的 !" $%& ( 的仿真环境 . # &’ < = !3

系统仿真模型 >在此模型基础上 . 对该电动机的基本运行性能进行了仿真研究 . 仿真结果可以用来指导这种新型电 机的设计 > 关键词 ) 单相永磁同步电动机 ? 电容启动并运转 ? 仿真 ? # &’ ? !" $%& ( 软件 中图分类号 ) !A 1 @ + 文献标识码 ) 4 文章编号 ) * 1 B B ’ * 3 ; * B A 1 * ,; - / * + * ,* ’ ,*

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w 引



和建立 > 具体建模过程如下 )

研究的 :( ;型单永磁同步电动机是一种电容 0 主 起 动 兼运转的新 型 单 相 电 动 机 . 要 给 空 调 压 缩 机 提供动力 > 与单相异步电容运转电动机相比 . 在成本 相 当 的 情 况 下 具 有 效 率 高x 率 因 数 高x 载 能 力 功 过 强x 起动转矩大等优点 . 在家用电器中有着广泛的应 用前景 > 深入研究其结构与动态性能的关系 . 减少转 矩脉动. 将为开 发 研 究 此 类 电 机 应 用 于 实 际 生 产 实 际奠定理论基础 > 由于单相电机的定 x 转子结构不对 称. 及 转 子 永 磁 体 的 存 在. 机 内 部 磁 场 情 况 复 以 电
1 杂. 其性能分析较三相永磁同步电动机更为复杂 y z>

用该模 /3 1 将电机绕组匝数代入 } l9 !# f 模块 . 块设计出单相电机的正弦绕组 > 然后利用 !" $%& # & ’ 的 建 模 工 具 ’ p7 7% 画 出 转 子 导 条 和 永 磁 ( ( m &f 体. 最后生成模型 > /3 ’ 确定电机材料属性 > 本文分析的是二维静态磁场 > 模型中要分别定 义定子铁心 x 转子铁心 x 气隙 x 永磁体 -种材料 > 由于 的材料 库中没有 . 需画 出 铁 心 材 料 的 ~,! 曲 线 和 确定永磁体的剩余磁感强度 ~ >新增加的材料存放 f 在 " o& "" "% > 7" m 9t 6 中 /3 A 确定有 限 元 计 算 的 边 界 条 件 和 外 加 激 励 参 数> 根 据 样 机 的 运 行 条 件. 定 子 绕 组 加 上 工 频 电 给 压作为激励源 >!" $%& ( 中 . 在给对称两相绕组 # &’ 电 机 加 激 励 源 的 时 候. 相 电 压 要 超 前 / 滞 后 3 或 4 # 相电压 2 $ 本研究的电 *电角度 > 这里需要注意的是 . 机 主绕组 和副 绕 组 均 加 相 同 电 压 . 给 副 相 绕 组 加 且 上运转电容 . 单位为微法 > 在两维分析中 . 规定电流 流出纸面的绕组极性为正 > 包括 ) 有限元剖分 . 确定运动 /3 - 确定动态参量 . 边界 . 确定时间步长等 >

所用的 定 x 子铁心 材 料 和 钕 铁 硼 永 磁 体 在 45 79 转 68

因此对该电机的动态性能进行计算机仿真就显得十 分必要 >

{ 系统仿真模型的建立
0 :( ;型单相永磁同步电动机样机为 ’极电机 . 定子有 ’ 个槽 . 且有大小槽之分 . 采用正弦绕组 ? 转 子有 A 个阻尼槽 . 额定转速为 A * fp\> * * *| 5 由于有起 动绕组 . 电机能够异步起动 . 最后引入同步 > 由 于 本 电 机 的 特 殊 性 .在 45 79公 司 的 68 模 块 中 不 能 设 计 该 类 型 的 电 机. 法 直 接 无 } l9 !# f 生成 !" $%& ( 所需模型 > 样机模型需要自己设计 # &’
收稿日期 ) * + + ’ * ,* ,’

万方数据 & ’ & B

45 79 ( p%‘ % f 68 ’ 6 p" % 提供了最常用的自动网 格剖分控制的方法 . 但是有时候会剖分的不够满意 .

基于 :; =>? @ 的单相永磁同步电动机仿真研究 < ?0

唐明

阎治安

M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M MM M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M 所以还需要手工剖分 ! 完成 以 上 "个 步 骤 以 后 # 可 以 对 此 模 型 进 行 就 静磁场的参数扫描分析求解 ! 与理论一致 # 也说明了电机设计的合理性 !

$ 仿真结果及其分析
%& (* ’) 的求解是自动完成的 !电机磁场分布如 图 +所示 ! 从图中可以看出 # 电机主磁场分布比较均 匀 ! 另外通过磁通密度的分布 , 限于篇幅 # 该图不再 给出可以看出 # 机 的 饱 和 区 域 非 常 小 # 在 永 磁 电 只 体附近有一点 # 完全可以忽略不计 ! 整个电机的磁通 密度都没有达到硅钢片 . 曲线的饱和区域 ! 说明 / 电机设计是合理的 !
图 9 转矩曲线图

如 图 9所 示 # 矩 有 较 大 的 脉 动 # 通 过 转 且 :; =>? @ 的 后 处 理 功 能 计 算 出 稳 定 时 转 矩 平 均 < ?0 值为 + B CDE# 比设计值略大一些 !至于转矩脉动 A0 大# 这是单相电机固有的缺点 ! 因为单相电动机用电 容裂相 # 不能保证 运 行 时 在 任 何 转 差 率 下 其 气 隙 磁 场都是一个圆形 旋 转 磁 场 6 时 由 于 单 相 电 动 机 的 同 电压和电流存在 负 序 分 量 # 负 序 分 量 是 产 生 磁 场 该 脉动的根源 ! 在理论上是有可能把负序分量完全消 除的 ! 但是主辅绕组的匝数比与电容之间有很复杂 的关系 # 在实践中难做到完全消除负序分量 # 所以负 序分量客观上是存在的 ! 那么转矩脉动也就不能完 全消除 # 只是想办法尽量减小该分量 ! 图 "的机械特性曲线绘出了正序转矩 F G 正 负序 由 于 负 序 旋 磁 场 的 存 在# 生 了 附 加 的 制 动 转 矩 产 因而使电机的合成转矩减少 ! F反 #

图 + 磁场分布图

利用 %& (* 还可以得到电机的磁 场 强 度 ’) 软件 # 的分布如图 0 !

转矩 F反 以及合成转矩 F 的曲线 !在椭圆形磁场中 #

图 0 磁场强度分布图

图 " 机械特性曲线

根据电磁场分解面上的衔接条件可知 # /+1/023 * * 4/+ 24/0 + & 0 & 式中 # +# 05 磁场强度的切向分量 6 + # 0 5 磁 / */ * /&/& 场强度的法向分量 同 步 电 机 以 同 步 速 运 行# 转 子 导 条 上 没 有 感 在 应电流 # 327 说明在切向方向上磁场强度连续 6 即 # 从图 0可以看到 # 而由于 484# + 0 故法向分量不连续 ! 气隙两边的法向分量是不连续的 # 而切向分量连续 # 万方数据

图 B是漏磁通分布图 # 可以看到 # 电机的漏磁通 比较大 # 这可能有如下两个原因 H 是永磁体的隔磁 + 磁桥比较小 # 导致漏磁大 !0是转子没有足够的隔磁 功能 ! 图 I的 反 电 势 波 形 接 近 正 弦 # 绕 组 和 副 绕 组 主 反电势相差大约 J K 电角度 ! 但含有少量谐波成分 ! 7

L 结



本文 在 %& (* 司 的 :; ? 0 环 境 下 建 立 ’) 公 =>? @ 5 0 5 J

微电机

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图 ! 漏磁通分布图

计’ 另外 & 加上磁性槽楔 & 改变定转子齿槽形状 & 改变 匝数和线 径 & 磁 体 的 大 小 & 状 等 & 电 机 的 性 能 永 形 使 达到最佳 ’ 另外 & 文 对 如 何 用 01 35 67 9:; $ 单 本 24 的 8 ;相永磁同步电动机建立模型和进行仿真提供了一定 的参考价值 ’

参考文献
单 < = 周 洁> 相 永 磁 同 步 电 动 机 的 理 论 研 究 与 分 析 计 算 ) < = 西安交通大学博士学位论文 ’ $> 图 " 反电势波形 < = 01 35? @50@ ; 7B1D3: 0 E @ C 3 F ? 1 24 68 A @B 5 C 3 5> 7 7B A G 5 H1 ;FJ 7:LM CB1633 AN: BI: K 2 1 G 5 3 5AJ 3 ;O> HA@ 7U1 DB ; 57 @ U3 & C; 37 P BBB& 7 M A ;1 T; 1

了 #$ "型 永 磁 同 步 电 动 机 样 机 的 仿 真 模 型 & 成 完 % 了对该样机的仿真研究 ’ 仿真结果准确反映了电机 的磁场分布和稳态性能 & 并得出下面结论 ’ 磁场饱和区域很 (* ) 电机的磁场分布比较合理 & 小& 基本上没有在硅钢片 + 曲线的拐点以上 ’ , 这 效 (* - 电机的 漏 磁 通 比 较 大 & 会 导 致 漏 抗 大 & 率下降 & 对转矩的波形也有影响 ’

< = 6B : 3 :C & Q R 67C; 6C B & BT 1 B . A 7J @ 2G P> > > ; O C 3 S; S371 @ ? N A3 3 :5 H 1732> V C A1 G :4A 1 :01 ;2 4 7 5A27 021 K3 3 2J A3O7 C 7VB 7 23 H1 ; F J 7: E @ C 3 F H75 E @ C 3 F ? 1 BI: K 2 7 7B A 5 5A& 7 7B A 5 G J A 1 1 67 1 5 5AQ> W ! L R :O7 : 5 I : 633<= - W &R R 作者简介X 明& & 士 研 究 生& 究 方 向 是 微 特 电 机 唐 男 硕 研 技术 ’

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参考文献

< = [7 > [@ ) B \& B3P> 0 D: $ G ; 7B 5J A 1 1 3 0> 9 3 N:H ; 1 :O7 : 5 : 67 1 5 633 ] A 0M G 5N: H :M $ B: < = I: 5A 3 I 27 ; @ : A T Q> R :5B ;CA C67K1 201 3 AH 2: & ^ / - ( * C B: MJ 9: V5O2 ) ^ & - - X -^ % ! F- W 电 < = 胡勤丰等& 励磁双凸极电机两种电动控制策 略 的 分 析和比较 < = 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 & W / ( * - " -W& /X ) Q> 图 ) 低转矩弱磁控制的转速曲线 W F- ^ ) 电 < = 孟小利等> 励磁双凸极电机角度提前控制的 分 析 研 . 究 <= 南京航空航天大学学报 & W / ( W > -WX)* Q> 作 者 简 介X 同 财 (^W * 男& 士 研 究 生& 究 方 向 修 研 )_ F & 硕 为电力电子与电力传动 ’

Z 结



通 过 理 论 与 实 验 相 结 合 的 方 法& 析 了 电 励 磁 分 双 凸 极电机在各 种 不 同 运 行 条 件 下 的 机 械 特 性 & 为 进 一 步优化调速 系 统 的 设 计 & 满 足 各 种 工 作 要 求 为 万方数据 ‘ . ‘ W

基于Maxwell 2D的单相永磁同步电动机仿真研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 唐明, 阎治安, TANG Ming, YAN Zhi-an 西安交通大学,西安,710049 微电机 MICROMOTORS 2005,38(6) 2次

参考文献(3条) 1.Mircea Popescu T J E Malcolm McGilp,Giovanni Strappazzon,Nicolla Trivillin,and Roberto Santarossa.Asynchronous Performance Analysis of a Single-Phase Capacitor-Start,Capacitor-Run Permanent Magnet Motor 2005 2.Ansoft RMxprt Application Note.A Capacitor-Run Single-Phase Induction Motor Problem 3.周洁 单相永磁同步电动机的理论研究与分析计算[学位论文] 1997

引证文献(2条) 1.王凤翔.王晓鹏.高雅 U型铁芯单相永磁同步电动机起动特性[期刊论文]-沈阳工业大学学报 2009(1) 2.邹继斌.李巍.李勇 爪极式单相永磁步进电机特性的数值计算与分析[期刊论文]-电工技术学报 2007(10)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wdj200506009.aspx


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