场路结合法设计分析内置式永磁同步电动机

    张蔚^1,2，林明耀²

(1南通大学，江苏南通226007；2东南大学，江苏南京210096)

    摘要：采用场路结合法设计稀土永磁同步电动机。运用有限元分析软件ANSYS计算承磁同步电动机电磁系数，针剥15 kW永磁同步电动机的设计，计算与分析样机的交直轴电枢反应电抗，并对气隙和永磁体磁化方向长度等结构参数对电机陛能的影响进行了分析。

    关键词：水磁同步电动机；有限元分析；场路结合法

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)01—0025—03

0引  言   

    我国是稀土大国，稀土储量约占世界的百分之80，研究和开发高效稀土永磁同步电动机，可大面积推广应用我国资源丰富的钕铁硼永磁材料，可促进一些重工业行业电机拖动方面的节能改造，改变目前我国电能浪费严重的现状，带来可观的节能效果和显著的经济社会效益。由于永磁同步电动机取消了励磁绕组、集电环和励磁柜，与普通电励磁同步电动机相比，不仅提高了可靠性和免维护性，其效率也有了较大提高；与异步电动机相比，不但效率增加，功率因数也大大改善。因此，研制高效稀土永磁同步电动机替代电励磁同步电动机和普通异步电动机，具有很大的实际意义。

    由于永磁同步电动机中使用的永磁体形状多种多样，给电机设计中的空载漏磁系数、极弧系数和气隙系数等的确定带来较大的难度，因此，这些系数的准确计算对永磁电机的设计十分重要。目前在计算这些参数时，常用的计算方法有三种：等效磁路法、有限元法和等效网路法。本文采用场路结合的方法，通过有限元分析软件ANSYS对电磁场进行数值计算，结合等效磁路法对电机参数进行计算。

1基于ANSYS永磁同步电动机模型的建立

    本文在同类鼠笼式异步电动机尺寸基础上派生设计15 kW稀土永磁同步电动机样机，这是一个具有整体转子冲片结构的稀土永磁同步电动机，如图1所示。永磁体采用内置径向式，样机主要尺寸如下：极数4，定子D₁=260 mm，D_i1=170 mm，转子D₂=168.7 mm，D_i2=60 mm，定、转子槽数定子铁心长L₁=190 mm，磁钢性能指标：剩磁密度B_r=1.07 T，计算矫顽力H_c=817 25 kA／m：

2永磁同步电动机参数计算方法

    同有限元方法相比，等效磁网络法没有有限元计算精确，计算误差主要产生于下述两点：

    (1)它不能精确表示出齿槽对气隙磁密分布的影响,计算的气隙磁密曲线显得粗糙。

    (2)为了使等效磁导的划分与实际齿的各个部分饱和程度相同，必须对齿进行细分，等效为多个磁导．

本设计采用了场路结合的方法，通过有限元分析软件ANsYs对电磁场进行分析计算，得出空载漏磁系数、计算极弧系数和气隙波形系数等，结合等效磁路法对样机进行参数计算，具有较高的精度。下面就对这些系数的计算进行介绍：

2．1空载漏磁系数

    空载漏磁系数是指电动机空载时的总磁通Φ与主磁通Φδ₀之比。它的大小不仅标志着永磁体的利用程度，而且对电动机中永磁材料抗去磁能力和电动机的性能也有较大的影响。通常的解析法计算漏磁系数误差较大：本文首先建立ANsYs样机模型，然后分别选择永磁体与气隙路径进行电磁场数值计算，算出空载漏磁系数图2显示了ANsYs中样机模型的空载磁力线分布。

2.2计算极弧系数

    极弧系数α_i的大小决定于径向磁场沿圆周的分布。对于永磁电机，气隙磁场的分布与永磁体充磁方式、磁路饱和程度等因素有关：通过ANsYs分析可以得出的样机中空载气隙磁密波形如图3所示，进而分别对空载气隙路径积分求平均值和求气隙磁密****，即可得出极弧系数

2.3气隙波形系数

    通过将空载气隙磁密波形傅立叶分解得到气隙基波磁密B_m，如图4所示，进而计算得出气隙磁密波形系数气隙磁通波形系数为电机基波磁通Φ_m与气隙总磁通士。的比值再根据得出气隙磁通波形系数。

3 参数计算与分析

    利用前述的场路结合计算方法，调整电机模型结构参数，计算分析其对电机参数和性能的影响。

3．1交直轴电枢反应电抗

    交直轴电抗作为电机设计的重要参数，与电机其他参数有着密切的联系。合理设计，加大交直轴电抗之差，适当减少永磁体的用量，在提高功率因数的同时，也能保证电动机过载能力、牵人同步能力。对设计的样机模型进行计算，得出交直轴电枢反应电抗：

式中：E。为空载反电动势，E_d为直轴反应电动势，I_d为直轴电流，xad为直轴反应电抗，b_mN为直轴电流等于I_d时永磁体的负载工作点，Φ_IN为直轴电枢电流等于I_d时永磁体提供的有效气隙基波磁通，K_dp为绕组因数，K_Φ为气隙磁通波形系数，A_m为提供每极磁

通的截面积。

    由式(1)～式(4)得出直轴电枢反应电抗：

式中：F_aq为交轴电枢磁动势，K_aq为交轴电枢磁动势折算系数，p为极对数，I_q为交轴电流，N为每相绕组串联匝数，Φ₁₀为空载时永磁体提供的有效气隙基波磁通。

式中：Φ_aq1为交轴气隙基波磁通，E_aq为交轴反应电动势。

    由式(5)、式(6)可得出交轴电枢反应电抗：

图5显示了交直轴电枢反应电抗的变化。I_d从0．1/N增大到IN时，直轴反应电抗从4. 03 Ω～4. 39Ω，Iq从0．1IN，增大到IN时，交轴反应电抗从6.57Ω～7．10 Ω，从图上可看出直轴反应电抗变化不大，因而在磁路计算时可不考虑的X_ad非线性，只考虑了交轴磁路饱和对X_aq的影响。IN为额定电流。

     通过场路结合法计算出该模型的X_d=4．8lΩ，X_q=7．44 Ω。利用电机中的“3—2坐标变换”，分别通入直轴电流I_d和交轴电流I_q，同时将永磁励磁磁势设为0，通过ANsYs求出各自产生的磁场能量W_md和W_mq。根据得出交直轴电抗分别为X=4．38 Ω，X_q=7．20 Ω，****误差不超过百分之10，具有较高的精度。

3．2气隙长度对电机参数的影响

    在同一模型其它尺寸不变的情况下，改变气隙长度，实验数据表明(如表l所示)，气隙长度越大，空载漏磁系数就越大，即漏磁越多。永磁同步电动机的气隙长度比同规格感应电动机大O.Ol～O.02cm，这样可减小杂散损耗提高效率。与设计同规格的异步电动机相比，当调整气隙为0．065 cm时，永磁同步电动机功率因数等于0.98，效率达到百分之94，

电机具有较高的性能指标，因而在保证空载漏磁系数不太大情况下可适当增加气隙长度。

3.3永磁体磁化方向长度变化对空载漏磁系数的影响增加磁化方向长度h_m可以减少直轴电抗，可明显提高电动机的过载能力，但对恒功率调速运行电动机的弱磁扩速能力不利，h_m作为永磁体的尺寸之一，除影响电机的运行性能外，还影响电动机中永磁体的空载漏磁系数。实验中，保持样机中永磁体其它尺寸一样的情况下，变化永磁体磁化方向长度，研

究h_m对空载漏磁系数的影响。从表2的实验数据中可以看出，h_m越大，空载漏磁系数越小。

4结语

    本文采用场路结合的方法对15 kw永磁同步电动机进行了设计与分析。通过有限元软件AN-SYS计算出电机中一些重要的电磁系数，提高了磁路计算结果的精度。本文还分析了电机形状与结构参数变化对电机性能的影响，对设计同类电机具有一定实际意义。