永磁同步电机瞬态启动的有限元分析

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基于有限元法的永磁球形电动机三维瞬态分析

基于有限元法的永磁球形电动机三维瞬态分析

基于有限元法的永磁球形电动机三维瞬态分析[摘要]为了分析永磁球形电动机三维瞬态特性,采用有限元法对电机特性进行了相关的研究。

本文介绍了有限元法的基本原理以及Ansoft公司的Maxwell 3D瞬态场计算原理。

建立了永磁球形电动机三维有限元模型,设置运动区域,仿真分析得到转矩,绕组磁链以及电机反电势动态特性。

为了研究相关电机参数对瞬态特性影响,给出不同的绕组电流和转子转速并进行对比,得出不同的电机参数对电机瞬态特性有一定的影响。

[关键词]球形电动机有限元法瞬态分析转矩特性0引言当前应用广泛的机器人、机械手主要靠多台单自由度元件进行配合,这种装置有很大的缺点,比如体积庞大,精密度低,动、静态性能差等。

为了改善系统的性能,国内外学者将研究重点放到了球形电动机的研究上。

球形电动机可以大大简化机构的复杂度,提高定位精度和响应速度,缩小机构体积,从而达到快速定位的目的。

因此,球形电动机的研究有着广阔的前景。

早些年,国内外关于球形电动机的研究主要包括:Laithwaite等人的感应型球形电动机[1],Kok-Meng Lee等人的变磁阻型球形电动机[2],Kaneko首先提出的球形直流电动机,华中理工大学提出的双馈型球形电动机等[3]。

但近年来,随着永磁材料的日益发展和在电机中的广泛应用,具有多自由度的永磁式球形电动机由于具有体积小、重量轻、力能指标高、控制简单的优点,已经成为多自由度电动机研究的热点之一。

合肥工业大学对永磁步进电动机进行了一系列的研究[4-6]。

新加坡南洋理工大学研制了一台三自由度永磁球形电动机,并对其进了建模和设计[7-10]。

天津大学将Halbach阵列应用到永磁球形电动机上,来改善电机的电磁场分布,使气隙磁场的波形更接近于正弦波形,提高了电机的运行性能[11-15]。

但目前关于永磁球形电动机磁场和转矩特性的分析基本是围绕其稳态特性进行的分析。

在实际的电磁场问题中,不仅要进行稳态工况和某个暂态时刻工况的分析,有时还需要对某一时间段内的暂态工况进行分析,得到所关心的宏观电气参量或微观电磁参量与时间的瞬时关系。

基于有限元法的永磁直线同步电动机动子瞬态振动预测

基于有限元法的永磁直线同步电动机动子瞬态振动预测

基于有限元法的永磁直线同步电动机动子瞬态振动预测宁建荣;夏加宽;沈丽;王成元【摘要】提出在设计阶段进行永磁直线同步电动机动子振动预测的方法.利用有限元分析方法对电动机动子进行动力学计算,获得加速度频响函数;对电动机进行电磁力分析,建立电磁力、电流的关系;利用MATLAB对电动机进行瞬态运行仿真,获得瞬态电磁力;运用加速度频响函数得到动子瞬态加速度响应.仿真结果显示:瞬态比稳态振动更复杂.该方法为永磁直线同步电机的优化设计提供依据.%PMLSM drives the feed table of an ultra-precision CNC machine tool directly, so the vibration of PMLSM's mover affects directly the precision of the machine tool. The method of vibration prediction in the design stage was constructed herein. Firstly, FEM was used to analyze the dynamics of the mover, and the transfer function of magnetic force and acceleration were obtained.Secondly, the connection of current and magnetic force was set up. Thirdly, the transient current was got by MATLAB while the PMLSM was running in transient. Then magnetic forces were calculated by interpolation using the relationship of current and magnetic force. Lastly, acceleration was calculated by the transfer function. It is helpful to vibration analysis and design optimization of PMLSM in the future work.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2011(022)006【总页数】4页(P671-674)【关键词】永磁直线同步电动机;振动;有限元法;超精密机床【作者】宁建荣;夏加宽;沈丽;王成元【作者单位】沈阳工业大学,沈阳,110178;沈阳化工大学,沈阳,110142;沈阳工业大学,沈阳,110178;沈阳工业大学,沈阳,110178;沈阳工业大学,沈阳,110178【正文语种】中文【中图分类】TM35永磁直线同步电动机(permanent magnet linear synchronicmotor,PM LSM)具有高动态性能、高精度和免维护等特性,越来越广泛地用于直接驱动超精密数控机床的进给工作台。

基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略

基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略

基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略刘慧娟;傅为农【摘要】无传感器控制的永磁同步电机在低速和静止时一直存在着转子位置难以检测和估算的问题,本文针对该情况提出了一种基于瞬态有限元分析的转子位置和永磁极极性检测的策略和方法.以两相凸极永磁同步电机为例,通过对永磁同步电机瞬态磁场的有限元分析,考虑铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响,提出一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,并给出基于该组合电感的转子位置和永磁极极性检测的策略和优化转子位置检测的方法.计算结果表明,该方法能在电机静止和低速时,快速准确地判断出转子位置和永磁极极性.%The sensorless control of permanent magnet synchronous motor (PMSM) at standstill and low speed is very difficult to implement. A methodology to design and optimize the position detection strategy of PMSM using transient finite element analysis (FEA) of magnetic field is presented. It addresses those effects arising both from iron core saturation and the transient characteristics of signals. A combined inductance which is sensitive to the rotor position throughout the complete cycle is proposed for the realization of position detection. The advantage of the proposed novel algorithm is that the rotor's position at low speeds down to standstill can be detected easily. A two-phase PMSM with salient structure is used as an example to demonstrate the method.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】转子位置检测;低速;静止;有限元分析;永磁同步电机;无传感器控制【作者】刘慧娟;傅为农【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;香港理工大学电气工程学院,中国香港【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其高转矩惯性比、高功率密度、高效率,并与矢量控制、直接转矩控制等高性能控制策略相结合的优点,在航空航天、电动汽车、工业控制等领域得到了越来越广泛的应用与发展.在永磁同步电机高性能控制系统中,转子的位置与速度是必须知道的运行参数,而传统的PMSM控制系统通常采用电磁或光电传感器来获取所需的转子位置和转速信号.由于位置传感器存在成本增加、体积增大、可靠性降低和使用条件限制等问题,无传感器控制技术已经成为永磁同步电机驱动控制领域中的研究热点,其中,转子初始位置检测是实现永磁同步电机无传感器控制需要解决的关键问题之一[1-2]. 无传感器控制技术可以简化系统结构,降低系统成本,提高系统运行的可靠性,其基本思想是利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和转速,实现转子位置的自检测.常用的基波激励检测方法是通过检测基波反电势来获得转子的位置信息,该方法实施虽然简单,但在零速或低速时因反电势过小而根本无法检测,因此只适用于高转速运行,另外,由于该方法要利用基波电压和电流信号计算转子位置和速度,它们对电机参数的变化很敏感,鲁棒性较差.而高频信号注入法与转子转速没有直接关系,能有效克服上述利用反电动势检测转子位置的缺陷.该方法的主要思想是利用电机固有的空间凸极或凸极效应实现对转子位置的检测,即:向电动机定子绕组注入高频电压信号,使其产生幅值恒定的旋转磁场或者产生沿着某一轴线脉动的交变磁场,当转子具有凸极性时,这些磁场会受到凸极转子的调制作用,在定子电流中呈现与转子位置或速度相关联的高频载波信号,从这些载波中即可提取出转子的位置或速度信息以用于系统控制的实现[3-8].高频信号注入法可分为旋转高频信号注入法和脉动高频信号注入法.文献[9-11]提出了一种基于d-q轴电路模型的转子位置检测分析方法,该方法的最大缺点是没有计及铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响.为此,本文作者提出了一种利用能计及铁心饱和,以及时间与空间高次谐波[12-13]影响的瞬态有限元分析计算结果,在永磁同步电机低速和静止时检测转子位置和永磁极极性的方法.为提高转子位置检测的准确性,还给出了一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法.最后,以一台两相凸极永磁同步电机为例,实施所提出的转子位置检测策略.1 电机静止时转子位置检测图1(a)为一台4极两相永磁同步电机一极距范围内横截面示意图.定子槽数为24,定子上有A和B两相绕组,每槽导体数为60,A相与B相绕组轴线互差90°电角度,定子绕组排列如图1(a)所示;转子的凸极结构使电机在d轴和q轴的磁阻不同,转子PM(永磁材料)的矫顽力H c=738 113 A/m,相对磁导率为0.999 971,其磁化的方向从图1(b)可知为非径向方向.这种具有各向异性磁路结构与磁特性的电机将易于进行转子位置的检测.图1 PMSM示意图(转子初始位置θ=0°时)Fig.1 Cross section of PMSM(being studied θ=0°)1.1 转子位置与EMF的关系转子位置检测的机理是在定子某一相(如A相)绕组中注入高频载波电压信号,然后测量另一相定子绕组(如B相)中的感应电势.当A相绕组轴线与转子d轴或q轴重合时,如图2(a)所示,B相绕组中的感应电势将为零;当转子d轴与A相绕组轴线不重合时,由于转子凸极结构的影响,电机中高频电流产生的磁场将发生畸变,因而在B相绕组中产生感应电势,如图2(b)所示.图2 定子绕组电流产生的磁场分布示意图Fig.2 Flux distribution produced by stator current在瞬态有限元的计算中,假设将转子PM矫顽力 H c置为0,在定子A相加电流激励i A=sin(2π×(1/180)t)A,B相绕组开路,转子以很低的转速1°/s旋转,利用瞬态有限元模型计算出定子绕组A相与B相的感应电势波形如图3所示,其中幅值较大的波形为A相绕组的感应电势e A,而幅值较小的波形为B相绕组的感应电势e B.观察图3中感应电势波形还发现,当转子位置θ=45°、135°、225°和315°时,B相感应电势的达到其最大值.为在实际中能准确检测转子位置,有限元计算绕组感应电势时必须考虑磁路饱和的影响.因此,在以下的有限元计算模型中将同时考虑转子PM产生的磁场与定子A相电流产生的磁场共同存在的情况,即将计及铁心饱和的影响.计算模型中将转子PM 的H c恢复为738 113 A/m,在A相绕组中加幅图3 低速时定子绕组感应电势随转子位置变化的波形Fig.3 EMF for rotor position detection when rotor rotating slowly值 V m=1 V和频率 f=1 000 Hz的正弦交流电压v A=V msin(2πft),B相绕组开路,转子静止,瞬态有限元计算出A相感应电势e A、B相感应电势e B,A相电流i A 随时间变化的波形曲线分别如图4和图5所示.图4 当θ=45°转子静止时定子绕组感应电势波形(e A◦e B<0)Fig.4 Induced emf when at standstill(θ=45°)图5 当θ=45°转子静止时定子A相绕组电流波形Fig.5 Current in phase A at standstill(θ=45°,f=103 Hz)从图4可得到如图6所示的B相感应电势幅值随转子位置变化的关系;从图5可得到如图7所示的A相电流幅值随转子位置变化的关系.利用图4和图5的仿真结果,根据式(1)可以计算出A相绕组的自感L A及A相绕组与B相绕组之间的互感M AB为图6 B相感应电势幅值随转子位置变化的曲线Fig.6 Amplitudes of induced emf of phase B vs rotor position图7 A相电流幅值随转子位置变化的曲线Fig.7 Amplitudes of current of phase A vs rotor position将计算出的绕组自感与互感分别绘成曲线,即得到如图8和图9所示的L BA与M BA随转子位置变化的关系曲线.可见,由于 i A随转子位置不同而变化,且有限元计算时计及了磁路饱和的影响,此时e B的最大幅值出现在θ=30°而不再是如图3所示的45°时,但 M AB却在45°时达到最大值.观察图8与图9可知,L A与 M AB的波形随转子位置的变化是对称的,因此,利用L A与 M AB随转子位置的变化曲线,将比利用i A与e B随转子位置的变化曲线更容易实现转子位置的检测.图8 两相绕组互感 M AB随转子位置变化曲线Fig.8 Mutual inductanceversus rotor position同时应注意,在图8中,当转子位置接近45°时,M AB曲线较平滑,对转子位置的敏感度较小,而此时L A曲线却显示对转子位置较为敏感,因此,构造一个组合电感L Combined如下其中:w 1和 w2分别是由 M AB和L A的幅值决定的权重系数;L Average是 LA的平均值.当0°≤θ<45°和135°≤θ<180°时,d sign=+1;当45°≤θ<135°时 ,d sign=-1.图9 A相自感 L A随转子位置变化曲线Fig.9 Self inductanceof phase A versus rotor position图10 为组合电感 L Combined与转子位置的关系曲线.从图10可知,在整个圆周范围内,组合电感L Combined对转子位置均非常敏感,因此,利用L Combined来进行转子位置检测将提高检测的精确度.图10 组合电感 L Combined随转子位置变化曲线Fig.10 Combined inductance versus rotor position1.2 转子位置检测策略根据图3中A相、B相绕组感应电势波形,图10中组合电感 L Combined的变化曲线,以及图9中A相自感 L A的变化曲线,即可实现转子位置的精确检测,为说明简洁,这里设定转子在45°和90°时,L A1) 首先判定 e A与 e B的乘积,当e A◦e B<0时,可确定转子位置为0°≤θ<90°;当e A◦e B>0时,可确定转子位置为90°≤θ<180°.2) 若由1)判断出转子位置在0°≤θ<90°时,则结合 e A、e B的幅值变化趋势,以及L A与L A45°、置在0°≤θ<45°还是在45°≤θ<90°.① 当A相、B相绕组感应电势e A、e B的幅值均判定转子位于0°≤θ<45°区间,再根据组合电感② 当A相绕组感应电势e A的幅值逐渐增大,而B相绕组感应电势e B的幅值逐渐减小,且L A≥L A45°,L Combined <L Combined45°时 ,可判定转子位于45°≤θ<90°区间,再根据组合电感 L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度. 3) 若由1)判断出转子位置在90°≤θ<180°时,则结合e A、e B的幅值变化趋势,以及 L A与L A135°、L Combined与L Combined135°的大小比较来判定转子的位置在90°≤θ<135°还是在135°≤θ<180°.① 当A相绕组感应电势e A的幅值逐渐减小,90°≤θ<135°区间,再根据组合电感 L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度.② 当A相、B相绕组感应电势e A、e B的幅值均可判定转子位于135°≤θ<180°区间,再根据组合电感L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度.1.3 负载电流的影响当给定子绕组施加电压时,绕组中将会有电流流过,该负载电流将影响电机铁心的饱和程度,进而影响绕组的电感值.图11和图12表示在转子位置为22.5°时,利用瞬态有限元计算的绕组互感 M AB与自感L A随电流 i A变化的曲线.图11 绕组互感 M AB与电流 i A的关系曲线(θ=22.5°)Fig.11 Mutual inductance versus load current i A atθ=22.5°图12 A相自感L A与负载电流的关系曲线(θ=22.5°)Fig.12 Self inductance versus load current i A atθ=22.5°2 电机静止时永磁极极性检测2.1 永磁极极性检测的方法永磁极极性检测是通过给定子绕组顺序注入如图13所示的极性相反的两个脉冲电压信号,然后分析定子绕组中的电流信号来实现的.图13 转子静止时施加的一对电压脉冲信号波Fig.13 A pair of voltage pulses applied to windings施加的脉冲电压信号必须满足以下条件:两相绕组产生的磁场轴线必须与d轴重合.因为转子位置已经确定,所以,很容易计算出外加电压的空间矢量角度.当给定子绕组施加如图13所示的两个脉冲电压序列时,其中一个脉冲电压将降低电机铁心的饱和程度(对应S极)而另一个将增加铁心的饱和程度(对应N极),由此可判断出转子的N极与S极.因为当定子绕组电流产生的磁场与转子磁场同向时,磁路的饱和程度增加,磁路中的阻抗减小,定子电流增大;反之磁路饱和程度减小,磁阻增大,定子电流减少.图13和图14分别表示施加的电压波形和瞬态有限元计算出的电流波形.应注意:所施加电压脉冲的间隔应确保在绕组中的电流衰减到零之后,再加第2个电压脉冲.2.2 电压脉冲幅值的确定利用脉冲电压注入法来检测永磁极极性时,应确保所加电压脉冲的幅值足够大,以能改变转子磁图14 转子静止时定子绕组中产生的电流波形Fig.14 Current responding to a pair of voltagepulses场的饱和情况.为分析电压的脉冲幅值对定子电流变化的影响,利用瞬态有限元模型,给定子绕组施加如图15所示的幅值逐渐增大的一对方波脉冲电压序列,计算出定子电流波形如图16所示,从图16可见,相同幅值的正、负电压脉冲所产生的正、负电流的幅值大小不相等,正电压脉冲产生的电流幅值约为负电压脉冲产生的电流幅值的2倍.该方法通过检测电压脉冲的电流响应,将不受电机参数变化的影响.图15 转子静止时施加的电压脉冲序列Fig.15 Voltage pulses applied to winding图16 转子静止施加电压脉冲序列后定子绕组电流波形Fig.16 Current responding to series of voltage pulses因此,当给定子绕组注入两个幅值相同极性相反的脉冲电压,检测并比较相应的定子电流波形,若电流幅值较大时表明定子磁场轴线与N极轴线重合;若电流幅值较小时,表明定子磁场轴线与S极轴线重合.3 结论本文提出一种利用瞬态有限元计算与分析,在PMSM低速和静止时检测转子位置和永磁极极性的策略和方法.通过对1台2相PMSM的分析表明:1) 基于对定子A相绕组施加高频载波电压,可以利用B相绕组感应电势和A相绕组电流来检测转子位置的机理,文中提出的对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,能提高转子位置的检测精确度.2) 基于脉冲电压注入法,通过对瞬态有限元计算结果的分析,能准确地判断转子永磁极的极性.3)利用瞬态有限元法对PMSM进行各种注入信号的分析计算时,能自动计及电机铁心饱和的影响和注入信号瞬态特性的影响,瞬态有限元法可作为PMSM无传感器控制系统转子位置检测和永磁极极性判断的有效分析工具.4) 本文所用的瞬态有限元分析方法完全适用于不同于本文示例的2相PMSM,对于三相或其他的PMSM,只要进行如文中所述的各项计算,即可分析总结出转子初始位置检测和永磁极极性判断的策略和方法,应用于PMSM 的实际控制系统.5) 本文作者将在后续论文中进行三相或其他PMSM的分析研究.参考文献(References):[1]Holtz J,Pan H.Acquisition of rotor anisotropy signals in sensorless position control systems[J].IEEE Trans on Ind Appl,2004,40(5):1379-1387.[2]Jansen PL,Lorenz RD.Transducerless position and velocity estimation in induction and salient AC machines[J].IEEE on Trans Industry Application,1995,31:240-247.[3]Wang L M,Lorenz R D.Rotor position estimation for permanent magnet synchronous motor using saliency:tracking self-sensingmethod[C]//Proceedings of IEEE-IASAnnual Meeting,Rome,Italy,2000:445-450.[4]Ribeiro L A,Degner M W,Lorenz parisonof carrier signal voltageand current injection for theestimation of flux angle or rotorposition[C]//IEEE-IAS Conference Record,Louis,ST,1998:452-459.[5]Jeong Y,Lorenz R D,Jahns T M,et al.Initial rotor position estimation of an interior permanent magnet synchronous machine using carrier frequency injection methods[J].IEEE Trans On Industry Applications,2005,41(1):38-45.[6]贾洪平,贺益康.基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究[J].中国电机工程学报,2005,25(15):15-20.JIA Hongping,HE Yikang.Study on inspection of the initial rotor position of a pMSM based on high-frequency signal injection[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(15):15-20.(in Chinese) [7]韦鲲,金辛海.表面式永磁同步电机初始转子位置估计技术[J].中国电机工程学报,2006,26(22):104-109.WEI Kun,JIN Xinhai.Initial rotor position estimate technique on suface mounted permanent magnet synchronousmotor[J].Proceedings of CSEE,2006,26(22):104-109.(in Chinese)[8]王丽梅,郑建芬,郭庆鼎.基于载波注入的凸极永磁同步电动机无传感器控制[J].电机与控制学报,2005,9(4):333-336.WAMG Limei,ZHENG Jianfen,GUO Qingding.Sensorless control of salient-pole permanent magnet synchronous motor based on carrier signal injection[J].Electric Machine and Control,2005,9(4):333-336.(in Chinese)[9]Consoli A,Scarcella G,Testa A.Sensorless control of PM synchronous motors at zero speed[C]//IEEE IAS Annual Meeting.Phoenix Arizona,1999:1033-1040.[10]Corley M,Lorenz R D.Rotor position and velocity estimation for a permanent magnet synchronous machine at standstill and highspeeds[J].IEEE Trans on Ind Appl,1998,34(4):784-789.[11]Jeong Yu seok,Lorenz R D,Jahns T M,et al.Initial rotor positionestimation of an interior permanent-magnet synchronous machine using carrier-frequency injection methods[J].IEEE Trans on Ind Appl,2005,41(1):38-45.[12]Fu W N,Zhou P,Lin D,et al.Modeling of solid conductors in two-dimensional transient finite-element analysis and its application to electric machines[J].IEEE Trans Magn,2004,40(2):426-434.[13]Fu W N,Liu Z J,Bi C.A dynamic model of thedisk drive spindlemotor and its applications[J].IEEE Trans Magn,2002,38(2):973-976.。

基于有限元的U型单相永磁电动机起动分析

基于有限元的U型单相永磁电动机起动分析

基于有限元的U型单相永磁电动机起动分析摘要:u型单相永磁同步电动机是一种特殊结构的单相自起动永磁同步电动机。

其永磁体转子与u型定子铁芯之间气隙设计成不均匀结构,使电动机通电后能够自行起动。

应用ansys有限元分析软件建立了电动机的二维仿真模型,分析不同气隙结构的空载磁场分布、定位转矩波形,验证了不均匀气隙结构u型单相永磁同步电动机是具有自起动能力的。

根据永磁体n、s极的磁性特点,使用ansys 软件确定电动机转子的初始位置,沿着位置方向在定子铁芯上开槽并放置永磁体对转子进行定位,并设计了一种简单的电源电路来控制电动机的旋转方向,对该电动机的研究具有一定的指导作用。

关键词:u型铁芯;单相永磁同步电动机;不均匀气隙引言随着永磁材料的出现,一种具有自起动能力的u型单相永磁同步电动机引起了人们的普遍关注[1]。

u型单相永磁同步电机是一种采用单相交流电源供电的具有特殊结构的单相永磁同步电动机,电动机采用不均匀气隙结构,不需要外加控制装置,也不需要起动电容和起动绕组就可自行起动,由于不均匀气隙结构产生的起动力矩有限,u型单相永磁同步电动机适用于起动力矩要求不高的场合,另一方面定子绕组通电后产生的磁场是脉振磁场,而脉振磁场可以分解为两个方向相反、速率相同的圆形旋转磁场,适用于旋转方向不定的场合,如:风机、泵类等[2-3]。

与同容量的传统单相异步电动机相比,u型单相永磁同步电动机具有效率高、结构简单、制造容易等优点,在小功率家用电器中有着广阔的应用前景。

针对以上情况,本文在u型单相永磁同步电动机结构特点的基础上,基于有限元磁场分析了均与气隙与不均匀气隙结构的空载磁场分布和空载磁阻转矩,验证了不均匀气隙结构能够有效产生起动力矩。

通过软件的辅助仿真确定了不同均匀气隙结构的转子初始位置角,并设计了一种能够控制电动机转向的方法,该方法是在电动机能够有效起动和运转的前提下,利用简单控制电路和转子结构定位结合来确定电动机的初始旋转方向。

永磁同步电机的有限元模型

永磁同步电机的有限元模型

永磁同步电机的有限元模型
永磁同步电机的有限元模型是通过将电机分割成许多小的单元,
每个单元都可以用数学模型来描述电磁和机械特性。

具体而言,有限
元模型主要包含三个方面的内容:电磁方程、磁路方程和机械方程。

其中,电磁方程用于描述电机的电磁特性,磁路方程用于描述电机的
磁场分布,机械方程用于描述电机的机械特性。

电磁方程主要包括磁场方程、电场方程和运动方程。

其中,磁场
方程描述了磁场的生成和变化,电场方程描述了电势的分布和变化,
运动方程描述了电机的运动状态和电势之间的关系。

磁路方程主要针
对电机的磁路结构,通过磁通量连续性条件和磁动势平衡条件,求解
出电机中各个磁路单元的磁通量和磁动势分布。

机械方程则包括动力
学方程和转矩方程,用于描述电机的机械性能,包括加速、减速、转
矩和扭矩等物理量。

通过对这些方程进行数值求解,可以得到各个单元的电磁、磁路
和机械状态参数,进而得出整个电机的电磁、磁路和机械性能。

这样,就可以用有限元模型来模拟和分析永磁同步电机在不同工况下的性能
表现,如转速、转矩、效率和功率因数等,为电机的设计和优化提供
基础和参考。

电机设计中的电磁场仿真与性能分析

电机设计中的电磁场仿真与性能分析

电机设计中的电磁场仿真与性能分析摘要:电机的启动特性对于确保电机的可靠启动、减少对电力系统的冲击、提高生产效率等方面都至关重要。

设计良好的电机启动特性需要合理控制起动电流,尽量缩短启动时间,并选择适合的启动方式。

这样能够确保电机可靠运行并达到额定工作状态。

为进一步探究电机的电磁特性,使汽车获得更高的输出转矩,对电机进行三维建模。

本文结合电机设计中的电磁场仿真与性能进行分析,并提出一些个人观点,以供参考。

关键词:电机;电磁场仿真;性能1电机设计中的电磁场仿真在电机设计中,电磁场仿真是一种重要的工具,用于预测和分析电机中的电磁现象。

它可以帮助工程师更好地理解电机的工作原理、优化电机设计以及进行性能评估。

电磁场仿真是通过使用计算机模拟数值方法来解决电磁场问题的过程。

它基于麦克斯韦方程组和其他相关物理方程,利用数值方法(如有限元方法、有限差分方法等)来离散化问题并求解。

通过电磁场仿真,可以预测电机中的磁场分布情况。

这对于电机设计来说非常重要,因为它可以帮助工程师确定磁场的强度、方向和分布,从而选择适当的磁性材料和优化设计以获得所需的性能。

电机中的磁路是电流在铁心中的路径。

通过电磁场仿真,可以分析磁路中的磁通分布、磁阻、饱和效应等。

这有助于评估电机的磁路特性,并确定可能的损耗和效率改进方法。

电磁场仿真可以用于计算电机中的功率损耗,包括铜损耗和铁损耗。

这可以帮助工程师评估电机的热效应,并优化设计以提高能效。

电磁场仿真可以模拟电机在不同负载情况下的动态响应。

1.1空载状态仿真分析永磁同步轮毂电机的空载状态指的是电机在没有负载设备的情况下运转。

电机的空载电磁场是在电动机定子没有电流的情况下,在永磁铁附近产生磁回路。

因此,在本节分析中需要将定子电流设定为0A。

在分析电机性能时,气隙磁场密度是一个必不可少的因素。

通过数值模拟,得出空载条件下气隙的径向和切向磁密的波形如图所示。

由图可知,空载时径向磁通密度峰值为0.6003T,切向磁通密度为0.1684T。

基于Maxwell 14.0的永磁同步电动机有限元分析

基于Maxwell 14.0的永磁同步电动机有限元分析
效 性
第 一 作 者 简 介 :邓
姬 ,女 , 18 9 4年 生 ,江 西 金 溪 人 ,硕 士 ,工
程师 。研究领域 :机电装备及其热电分析。
( 辑 : 飞6 运 动 00 s 的 磁 力 线 分 布 .1 时 图 9 永 磁 同步 电机 三 相 感 应 电压 曲 线
图 7 运 动 0 1 时 的磁 密 云 图分 布 .s 0
参考文献 :
图 1 绕组 磁 链 随运 动 关 系 曲线 图 0
图 81 ~ 0分 别 为 永 磁 同 步 电机 转 矩 ,感 应 电 势 和 绕 组 磁 链 随 时 间 的 变 化 曲 线 。 从 分 析 结 果 可 以直 观 的 看 到 电 机
制造 业信
34电 机 瞬 态 电 磁 场 分 析 结 果 .
3 . 态模 型 的 建立 . 1瞬 4
XY o PIt1
2。 。

e . 1 番 。
'5 。
瞬 态 分 析需 分 离 静 止 与 运 动 部 分 , 因此 ,需 建 立 一 个
包 含 整 个 电机 转 子 求 解 域 的 内层 域 面 和 一 个 B n a d模 型 。 342激 励 源 和 边 界条 件 ..
内部 的 电磁 场 分 布 情 况 和 电 机 的 运行 特性 。
[ ]唐 任 远 . 代 永磁 电 机 理 论 与 设 计 [ ] . 京 :机 械 工 业 出 1 现 M 北
版 社 .1 9 9 7.
[ ]ht: ww g o . n.k . 2 t / w. se o h / 三相永磁 同步 电动机 的建模 与分 p/ o c
析 [B OL . E / ] [ ] 赵 博 , 张 洪 亮 , 等 .A OF 2 在 工 程 电 磁 场 中 的 应 用 3 NS T1 [ ]. 京 : 中 国水 利 水 电 出版社 ,2 1 . M 北 00

基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析

基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析

永磁磁极数 / 对

投稿时 间 :2 1—6 2 00 0 —5 作者简 介 :王振 ( 8一 )男 ,南 昌大学 电机 与电器 专业研 究生 ,研究 方向 永磁 电机及其 控制 。 16 9
研究与探讨
能 源研 究 与 管 理 2 1( ) 0 0 3
・ 7・ 2
在 确 定 好 电机 的 冲 片 后 ,在 操 作 界 面 上 选 择 MA WE L2 X L D,开始 进行 电机模 型 的 建立 。在 建模 过 程 中 ,需 要 利 用 到模 型 绘 制 快 捷 按 钮 上 的 Da rw

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W ANG Z e h n, L U Ja — u , W ANG Ai  ̄n I in g o - g
(e at e t f lc i l n uo a c nier g N nh n nvr t N n h n 3 0 C i ) D p r n o etc dA tm t g ei a ca g i sy ac a g 3 0 3 h a m E r aa iE n n U e i 1 n
mo e ig meh , n lss s p n rc s e r n r u e n d t i e p ciey E r s l ft n in l cr ma n t d l to a ay i t sa d p o e s sa e i t n d e d o c d i e al s e t l.F A e u t o a se tee to g ei ,r v s r c i da ea ay e . f l r n lz d e Ke r s p r a e t g e e i eANS l ee t ma n t ed ywo d : e m n n n t ma ma h n ; OF ' ler ; o g e i f l c i
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异步启动时 , 电网加在定子的三 相 220 V 电压 将在气隙中产生一个以同步转速旋转的磁场 , 此旋 转磁场与笼型绕组中的感应电流相作用 , 产生一个 驱动性的异步 电磁 转矩 TM 。另 一方面 , 转子 旋转 时 , 永磁体在气隙内将形成另一个转速为 = ( 1- S ) n s ( 7) 并在定 子绕 组内 感应 一 组电 动 势, 这 组 电动 势经过电网短路并产生一组三相电流 ; 这组电流与永
[ 3] [ 4] [ 5] [ 6]
图 8 电机起动过程中的转矩 - 时间关 系
4 结

通过 M axw ell 有限元分析软 件强大功能 , 对永 磁同步电机空载起动时的性能进行分析, 可大大提 高电机设计精度 , 同时可以很容易得到改变电机参 数对电机的影响 , 对于优化电机设计提供了科学有 力的手段。
参考文献
[ 1] [ 2] 严登俊 , 刘瑞芳 , 胡敏强 , 等 . 处理电磁场有限 元运动问题的 新方法 [ J] . 中国电机工程学报 , 2003( 8) : 163- 167 . H o S. L. , L i H. L. , Fu W. N. . I n clus ion of inter b ar cu rren ts in anetw ork field coup led ti m e stepp ing fin ite element m odel of skew ed rotor indu ct ion m otors [ J ]. I EEE T ran s . on M agn et ics , 1999, 35 ( 5 ) : 4218- 4225. 李泉凤 . 电磁场数值计算与电磁铁设计 [ M ] . 北京 : 清华大学 出版社 , 2002. 张宝强 . 基于有限元方法的永磁 同步电动机等效 电路参数计算 与试验的研究 [ J] . 电气技术 , 2008 ( 4) : 11 - 14. 史乃 . 电机学 [ M ] . 2版机械工业出版社 . R ahm an . M. A, p ingzh ou . Field basedA n alysisforper m anen M t ag netsyn ehronous M otor [ J ] . I EEE T ran sactionson M agn et ies . 1994 , 30 ( 5) : 3664 - 3667 .
第 44 卷 2011 年
第 2期 2月
M ICR OM OT OR S
V ol 44. N o 2 F eb 2011
永磁同步电机瞬态启动的有限元分析
郑超迪, 杨向宇, 兰志勇
( 华南理工大学 电力学院 , 广州 510640) 摘 要 : 该文利用 M axw ell对永磁同步电机的瞬态启动进行了设计 和分析建 立了电机 的二维 有限元模 型并对 电机进 行了瞬态磁场和动态性 能分析 , 分析证明此设计参数是可以采用的。 关键词 : 永磁同步电机 ; 瞬态启动 ; 二维有限元模 型 ; 瞬态 磁场分析 中图分类号 : TM 351 ; TM 341 文献标志 码 : A 文章编号 : 1001 6848( 2011) 02 0013 03
2 永磁同步电机的有ຫໍສະໝຸດ 元分析M axw ell软件的有限元分析计算过程包括一下三 [ 1- 4] 个步骤: 前处理、磁场计算、后处理三个部分 。 为建 立 永 磁 同 步 电机 数 学 模 型, 可 做 如 下 假 设: 忽略电动机铁心的饱和; 不计电动机中的涡流
收稿日期 : 2010 03 10 作者简介 : 郑超迪 ( 1985) , 男 , 研究方向 为电气传动及其智能控制 。 E m a i:l 89524429 @ qq . com
1 电机的结构和尺寸
本文对一台额定功率为 P n = 550 W 的永磁同步 电机瞬态启动进行分析, 电机为典型的 4 极 24 槽结 构 , 绕组为双层交叉 , 接形式 , 内置切向型永磁 体 , 采用冲片类型为 D23 。电机定转子的主要尺寸 如表 1 所示。
表 1 电机的主要尺寸 定 子内径 /mm 75 转 子内径 /mm 26 定子外径 /mm 120 气隙 /mm 0 5 定子齿宽 /mm 4 6102 转子铁心 长度 /mm 65 定子铁心长度 /mm 65 端环宽度 /mm 4
0 引

交流电机分为异步电机和同步电机。异步电机 转子结构简单、可靠 , 在工业中被大量应用 , 但功 率因数低、效率也受影响。电励磁同步电机转子结 构较复杂 , 但功率因数高、效率也高。如果用永磁 体励磁构成永磁同步电机, 则可兼顾两者优点, 因 此永磁同步电机及其高性能控制的研究己成为当前 的研究热点 , 本文基于有限元场的计算对其运行原 理和特性进行了剖析 , 为永磁同步电机的进一步研 究与深入提供了参考。
F inite E le m ent Analysis of Transient State Start for PM SM
ZHENG Chaod,i YANG X iangyu, LAN Zh iy ong ( College of E lectric P ow er, South China University of T echnology, Guangzhou 510640 , Ch in a) Abstract : Th is paper designed a transien t state start o f PM S M, analysed its perfor m ances based onM axw e l,l and then estab lished its tw o di m ensio na l finite e le m ent m ode, l analysed the transient m agnetic field and dy nam ic perfor m ances. The results show th at the design can be put in to practice . K ey w ord s : PM S M; capacito r run ; transient state star; t tw o di m ensional finite elem ent m odel transient m agnetic field analysis 根据电机的尺寸在 Rm xprt中进行设计得到电机 的截面、绕组分布、定子槽 和转子槽图 , 如图 1图 4 所示。
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44卷
2期
郑超迪等 : 永磁同步电机瞬态启动的有限元分析
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磁体的磁场作用 , 在转子上产生一个制动性质的电 磁转矩 TG。启动时的合成电磁转矩 T e 是 TM 与 TG 的 叠加 , 电机将启动起来。在电机转速稳定的情况下 电机的转矩也接近稳定, 由于分析的是电机空载的 瞬态 , 所以电机转矩接近于 0 。对应的转矩 的曲线 如图 8 所示。
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