基于Ansoft的永磁同步电机建模与仿真

基于Ansoft的永磁同步电机建模与仿真
李周清
【摘要】采用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell 2D模型建立永磁同步电机模型,给出了电机的输入变换电路,构建一个完整的仿真系统.通过对PMSM模型的有
限元分析,得出反电动势曲线,以及随转子位置变化的转矩及磁场分布情况.仿真结果为PMSM的优化设计及进一步研究提供了理论依据.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2012(041)004
【总页数】5页(P35-39)
【关键词】永磁同步电机;有限元法;仿真分析;Ansoft
【作者】李周清
【作者单位】广汽汽车集团汽车工程研究院,广东广州 510640
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.72
1 引言
目前新能源汽车用动力电机系统主要采用直流电机系统、永磁同步电机系统、感应电机系统和开关磁阻电机系统。

因永磁同步电机的高功率/扭住密度和效率特性，
成为最佳的选配产品。

对于结构空间紧凑和质量轻型化的汽车而言，优势更为明显。

永磁同步电机广泛应用，它具有下列优点：无电刷和滑环，降低了转子损耗，从而
可以得到较高的运行效率；同样体积的电机，永磁式电机可输出更大的功率；转子转动惯量小，可以获得较高的加速度；动态响应时间减少；转矩脉动小，可以得到较稳定的转矩，尤其在极低的速度下也能满足高精度位置控制的要求；零转速时有控制转矩；调速范围宽，高效率区区域大，功率因数高；电机重量轻。

高性能、结构紧凑、质量轻、制作工艺简单、成本低，是开发设计的目标。

在传统电机设计中，习惯把电机的分析和计算归纳为电路和磁路的问题，实践中，电路和磁路中的各参数是由电机电磁场的场量得来的，对于磁路结构复杂的永磁电机，这种方法难以得到准确的磁路计算结果[1]。

随着数值计算的仿真技术的发展，可以
直接使用有限元方法对电机及电磁场进行分析和计算，从而获得更精确的数据。

2 仿真应用手段
2.1 静态分析软件的作用
电机运行模型可等效为电阻、电感串并联电路。

由于这些参数的非线性特性，在运行过程中必然有一些参数发生非线性变化，以固定参数带入方程进行求解的方法会带来很大的误差。

随着计算机辅助设计技术的飞速发展，涌现出了许多用于电磁场有限元分析的软件。

大多数软件的静态场分析较为完善。

然而仅仅静态分析，不能精确地计算电动机的模型。

Ansoft公司推出的Max⁃well2D电磁场分析软件不仅具有完善的静态电磁场分析能力，对瞬变电磁场的分析同样卓越，具有强大的后台处理功能。

这就为永磁同步电机参数的计算提供了一个方便、快捷、精准的计算工具。

2.2 Ansoft软件的特点
首先，该软件具有许多开发成熟的电机模型，给使用者带来极大方便，可以直接从Rmxprt中调用。

第二，可以直接由Rmxprt生成2D模型，甚至进一步生成3D模型。

第三，该软件特别设计的电机驱动电路部分Simplorer，与电机模型一起进行仿真，
提供了一个整体的电机系统思路。

并能与Matlab/Simulinks进行联调仿真。

本文采用Ansoft公司的Maxwell 2D瞬态模块对永磁同步电动机进行仿真，设置相关参数，就可以对永磁同步电机性能进行仿真了。

3 永磁同步电机模型的建立
本文研究对象是汽车用永磁同步电动机。

首先，必须根据电机输入性能指标，如工作电压、电流、功率、扭矩、效率、转速以及空间尺寸，进行电机的基本参数计算，制定出零部件设计方案，然后利用Ansoft仿真分析、优化结构，并选择最佳方案。

3.1 建模过程
用Ansoft软件作为仿真工具进行电机建模时，可以在Maxwell 2D模块里面直接建立完成，也可以把永磁同步电机基本设计参数填入到RMx⁃prt中生成二维模型，然后将模型导入maxwell2D中，再用Maxwell中的瞬态模块进行有限元分析。

在完成初步模型后，在生成的几何模型里定义电机的材料属性、边界条件和绕组的激磁源。

然后，确定运动界限、转速、铁芯长度、仿真时间步长以及网格划分情况等。

PMSM二维几何模型如图1所示。

图1 PMSM二维几何模型
3.2 模型的网格剖分
有限元应用于电磁场的实质就是把连续的电磁场问题变为离散系统的问题来解决，电机模型的离散化就是通过网格剖分实现的，它直接影响有限元计算结果的准确性。

软件自身有自适应网格剖分的功能，但有时根据需要，需要用户设置网格，理论上，网格越密集，准确度越高。

考虑到计算机资源和运行时间因素，只需要重点加密磁场变化较大的气隙部分。

PMSM模型有限元网格剖分如图2所示。

4 设计仿真步骤
4.1 电机类型
永磁电机按永磁体在转子的布置位置可分为：表面式和内插式[2]。

表面式具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁电机和恒定功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中应用广泛。

内置式的永磁体受到极靴保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，同时易于“弱磁”扩速。

结合变速箱的减速并增加扭矩作用，可以有更好的整车爬坡加速能力。

汽车用驱动永磁同步电机，主流采用内插式转子结构。

4.2 基本尺寸计算
利用设计经验公式确定电机的长度、定转子内外径，电机的槽数、槽形状等。

在设计槽形大小时，应避免齿部或轭部宽度过窄，而导致此处磁通密度过高，磁密波形畸变严重，增大铁耗。

4.3 基本结构和参数
本文采用在中小型电机中普遍适用的内置式三相永磁同步电机为模型，定子、转子材料都采用35JN250，转子轴定义为steel_stainless，绕组为铜，定子槽采用平底槽，永磁体材料采用NdFe35.电动机结构尺寸等基本参数见表1。

表1 PMSM主要结构参数参数定子外径/mm转子外径/mm额定功率/kW定子内径/mm数值165 117.6 15 119参数气隙/mm额定电压/V定子槽数/个永磁体切向厚度数值0.7 288 36-参数额定转速/（r·min-1）铁芯长度/mm效率/%最高转速/（r·min-1）数值1550 165 93 9000
图2 PMSM模型有限元网格剖分
4.4 模型离散化
对电机的模型进行离散化，可以根据电机不同部位精度要求进行设置。

主要注意的是，介于定子与永磁体之间的气隙是电动机最重要的部分，磁场变化率大，为提高
精度，应采用较密集的网格剖分。

4.5 加载激励源
Ansoft独具特色的部分是自带schematic cap⁃ture，可以编辑功率变化电路，构成一个完整系统进行仿真。

永磁同步电动机常用的三种开关电源类型：DC，PWM，Sine Wave[3]。

通常为了方便计算和节省资源，本文直接采用三相交流电源供电，如下所示意：
VA=166*sin（2*pi*77.5*time）；
VB=166*sin（2*pi*77.5*time-2*pi/3）；
VC=166*sin（2*pi*77.5*time+2*pi/3）。

当然也可以给其定义不同的电流源，仿真计算出电机的交直轴电感。

5 有限元仿真结果
为了能保证有限元求解的精度，需要在Anal⁃ysis菜单中设置求解方式和精度的设置。

设置初始速度为1550r/min，额定转速，仿真步长为0.01ms，仿真时间50ms。

同时在motion setup中设置初始角为10°。

通过瞬态求解器的设置来完成永磁同步电机的性能仿真[4-5]。

5.1 求解后的磁场及磁密分布
求解后，可以得到一系列的参数曲线，例如永磁体同步电动机的磁势图、绕组磁链-电流图，速度、转矩、绕组电流等。

因在整个瞬态分析中，不同时刻对应着不同的磁势分布图，这是一系列静态分析。

本文选取空载时刻的磁势分布图，如图3所示。

空载时刻的气隙磁密分布图，如图4所示，其余时刻类似。

图3 PMSM磁密分布云
图4 PMSM气隙磁密波形
5.2 空载相反电动势
给定某个转速，绕组端悬空。

空载相反电动势如图5，频谱如图6。

从图上可以看出，反电动势含有一定的谐波分量，一般可以通过如下方式可以提高气隙磁密正弦度：第一，转子磁路优化，永磁体的布置形式和位置以及磁桥宽度调整等；第二，气隙优化，设计真非均匀气隙；第三，定子磁路优化，槽口优化等；第四，斜槽；第五，斜磁极。

图5 空载相反电动势
图6 相反电动势频谱特性
整机采用Y连接方式，通常反电动势测试出的波形是线反电势。

分析谐波分量时，也可采用线反电动势，如图7。

图7 线反电动势
5.3 转矩特性
在瞬态场仿真方式下，给激磁源赋予电压源或电流源，可以得出轴上的电磁转矩，如图8所示。

对转矩进行频谱分析，高次谐波转矩相对基波转矩为10%左右，如
图9所示，有优化改善空间。

通常输出转矩会呈现一定的周期脉动性，引起这种
情况的主要因素有：（1）电源存在的谐波含量，在电机内部产生了非同步的旋转磁场，与转子磁场相互作用而产生的力矩；（2）由于定子齿槽效应也产生的转矩脉动，图10为齿槽转矩；（3）其他因素引起的磁路不对称。

图8 转矩特性
图9 转矩频谱特性
对于电动汽车用永磁同步电机，因负载惯性大，微小的转矩脉动对其性能影响小。

更关注的是最优转矩/电流比。

有时可以利用五次或七次转矩谐波量，提高输出转
矩量。

图10 齿槽转矩
5.4 磁场分析
合理控制其磁通密度（磁密）分布及大小，是至关重要的。

既要防止齿轭部局部磁密过饱和，又要提供硅钢材料使用率。

众所周知，铁芯损耗与频率和磁通密度成正比。

仿真过程中，设定不同频率、电流条件，整体评估磁密分布特点。

一般原则，定子轭部的磁密稍微低于齿部磁密。

图11为定子轭部磁密，图12为定子磁部磁密。

图11 定子轭部磁密
图12 定子齿部磁密
6 结论
本文借助于Ansoft公司的Rmxprt和maxwell2D模块建立永磁同步电机的模型，完成了对永磁电机的仿真研究。

仿真结果比较准确地反应了永磁同步电机瞬态运行的过程，以及电机的反电动势、转矩、气隙磁密、齿轭部磁密分布等特性，为永磁同步电机尺寸、槽型、绕组分布等的进一步优化设计提供了基础。

参考文献：
[1]张榴晨.有限元法在电磁计算中的应用[M].北京：中国铁道出版社，1996.
[2]唐任远.现代永磁电机[M].北京：机械工业出版社，1997.
[3]王成元.电机现代控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]郑喻，康敏.九相电机不平衡供电性能分析[J].机电工程，2011（08）：1006-1011.
[5]杨丽伟，张奕黄.基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真[J].电机技术，2007（3）：13-16.。