异步起动永磁同步电机设计

Ansoft EM专题讨论（三）——异步启动永磁同步电机设计最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了，这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中，我们的超版和技术精英们都做了很多工作，本着向大家学习的原则，我也来凑个热闹

本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真，下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对，希望大家多多批评指正！这也是和大家学习的过程，望各位不吝赐教

其实，这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流，向大家学习了!

下面先给出电机结构示意图

电机为典型的4极36槽结构，绕组为单层交叉，Y接形式，内置径向W型永磁体，采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出区别于前面两位版主的纯V11仿真，该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言，V5.0的界面更加人性化和易于上手，推荐新同学使用。

运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计，输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置

基本参数

定子内外径和槽形尺寸

转子内外径和磁钢设计

转子槽形和端环设计

以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题

就材料设置而言，大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料，主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线，用记事本的格式进行编辑添加，放在指定的文件夹中，即可在设计中引用，图例DW315-50的.h-b文件，要对应操作窗口的各项参数进行添加，方可正确使用

添加后磁化曲线示意

添加后的损耗曲线示意

关于磁钢的材料设置，可以在软件的Magnet选项中任意添加所需材料的参数，如下图所示

注意，这里我给出的是电机在75℃的工作温度下，磁钢的性能参数

下面给出绕组连接方法。本算例定子采用单层交叉绕组，因为现有给定无法满足所需条件，采用了软件自带的绕组编辑器，连接方式如下图所示：

在编辑器的列表中，可以任意改变绕组相序，匝数，线圈的两边所在槽号，从而得到所需要的任意形式的绕组排布

Ansoft RMxprt V5.0的设计结果输出

除了可以导入到Maxwell里进行电机的有限元分析，经过RMxprt V5.0的设计计算后，我们还得得到以下的结果

1.冲片效果图

2.绕组排布

3.电磁计算单

其中用来进行有限元瞬态分析的主要是以下数据

4.性能曲线

Power Factor VS Torque Angle

Input Line Current VS Torque Angle

Efficiency VS Torque Angle

Air Gap Power VS Torque Angle

Starting Torque VS Speed

One Conductor Induce V oltage at No Load

Air-Gap Flux Density at No Load

Induce Winding V oltages at No Load

关于异步启动永磁同步电机的有限元分析，和三相异步电机有很多相似之处，我这里我重点讲不同，和需要注意的地方，有些问题在其他类电机分析中同样涉及。欢迎大家拍砖！

首先说下电机静磁场分析的前处理工作，静磁场分析主要是为了求解电机在某一运行工况时刻的状态和参数。通常我们比较关心的是额定工况运行时对电机的分析。下面给出的算例为定子通入额定电流，转子无电流流通的静磁场分析：

下图为对RMxprt模型导入Maxwell 2D进行静磁场分析后的界面，

前处理工作中有几个需要注意的地方，这里提一下：

1.Define Model

RMxprt导入的模型可能存在分段过少的现象，对于定子轭磁密以及齿槽转矩的计算有直接的影响。如要提高计算精度，我们可以通过下图所示方法进行修正

分别选中定子外径和Band，对圆弧细化到1分度，下图为修正Band分度到1度

2.Setup Materials

添加材料的方法大家看其他专题都有讲过，这里我重点提一个问题就是永磁体的设置问题：

很多人对磁钢的充磁方向总是容易混淆，拿我这个例子来说

（1）Align with object's orientation——充磁方向为默认的黑色箭头方向

（2）Align with a given direction——与系统X轴正半轴的夹角方向充磁

（3）Align relative to object's orientation——相对默认的黑色箭头的夹角方向充磁 本例中默认的方向（黑色）与系统X轴同向，所以，用（2）、（3）两种方法充磁输入的角度是完全相同的。充磁后，点击View Angle，可以看到充磁后实际的磁钢磁力线走向（红色）

3.Setup Boundaries/Sources

小型电机的计算量不大，为了减少麻烦，可以对电机取全模型分析，这样边界条件只需要加一个零磁矢位，加在电机的定子外径，如图所示

对RMxprt进行全模型导入Maxwell 2D可以进行如下设置（单元电机分析和主从边界的添加可以详见上一专题）

另一个问题就是加入定子电流源（是针对后续电感计算求解需要的）：

A相流入电流（PhA）输入值为25.66A，则A相流出（PhReA）电流为-25.66A；B相和C 相与A相分别相差120°和240°，则PhB=-12.83A，PhReB=12.83A；PhC=-12.83A，PhReC=12.83A；分别将Define Model中分组后的三相绕组选中，施加电流激励，图示为A 相流入电流源的施加

其他线圈依次设置，就不每个给出截图了

在电机的静磁场分析中，除了要通过计算得到电机的磁密、场图分布之外，我们可能还对某些参数感兴趣，最基本的包括电机的受力、转矩、电感参数（详细讨论见专题一）等等。在运算之前，我们通常要进行如下的预设置：

当你想要求物体的受力和扭矩时，你必须选择一些物体是旋转或者移动的。在我们这个例子里，我们将选择转子、轴和永磁体。首先点击 Setup Executive Parameters/Force，选择旋转的物体和点击Include Selected Objects。Torque的设置同理。分别如下图所示