永磁电机电磁设计

2004 ANSYS 中国用户论文集
永磁电机电磁计算
吴海鹰 武汉船用电力推进装置研究所 430064
[ 摘 要 ] 现代船舶多采用电力推进作为其动力系统,而交流永磁推进是船舶动力系统的一个新的发展 方向.本文采用有限元法,在船舶永磁推进电机电磁场分析计算的基础上,运用场——路结 合方法进行电磁设计计算,可得到电机的内部磁场分布波形,绕组反电势,电机电感和电磁 转矩等重要电磁参数,从而验证电机结构参数的合理性,并且能够计算出推进电机各种运行 工况下的特性.本文利用电机的周期性和齿槽结构的重复性,采用简化计算的方法即只计算 一个槽距范围,对得到的结果数据进行数据扩展,得到电机转子转过一对磁极范围的数据, 可使计算速度提高几十倍.在计算中同时考虑了电枢斜槽,硅钢片叠压系数,硅钢片磁导率 各向异性等因素的影响.用上述计算方法设计计算了兆瓦级船舶交流永磁推进电机,各种参 数计算值与实验结果相比基本相符,能够满足设计的精度要求. [ 关键词 ] 反电势 电感 叠压系数 磁导率各项异性
Electromagnetic Field Calculation of AC PM Propulsive Motor of Ships
Wu haiying CISC 712 ,430064
In recent years the designers adopt the electric-drive as their ships power system. However, the AC permanent magnet(PM) propulsion motor is a new developing trend of the ships power system. On the basis of the electromagnet field analysis and calculation of the PM motor, we use the finite element method and field—current conjugation for EM field design to get the parameters such as magnetic field waveform, winding EMF, self-inductance, mutual-inductance and EM torque, etc. So that we could confirm structure parameter of the motor ,then calculate the perform characteristic of propulsive motor under every operating mode. We use the periodicity of motor and the repeatability of the tooth space structure, adopts a simplified calculation of calculating just one slot pitch, and extending the data, then getting the data that the rotor rotates a pair of magnetic poles, and it makes the speed of calculation improve multi-times. Consider the influence of the armature chute, silicon sheet lamination-stacking parameter, silicon sheet magnetic inductivity anisotropy, etc. at the same time. We have designed the megawatt AC PM propulsion motor of the ships, the calculated result of the parameters is up to the experimental result basically. [ Keyword ] EMF inductance silicon sheet lamination-stacking magnetic inductivity anisotropy [ Abstract ]
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前言
传统的电机学和电机设计中,习惯地把电机的分析和计算归结为电路和磁路的计算问 题.实际上,电路和磁路中的各个参数是由电机电磁场的场量得来,由于数值计算和仿真技 术的不断发展,我们可以直接使用有限元对电机的电磁场进行分析和计算. 科技飞速发展的今天,大型电机和特种电机的设计技术都有了巨大的进步,电机性能参 数计算的精度要求越来越高, 设计研发的周期越来越短, 传统的分析计算不能很好的满足上 述要求.有限元法作为一种电机电磁场数值解法臻于完善,其应用也越来越广泛.作为一种 近似的数值计算方法, 有限元法的计算精度很大程度上取决于网格剖分的疏密程度. 对于一 台电机若采用三维模型计算,其计算量很大,不利于调试.实践证明如果忽略电机端部的影 响,采用二维的磁场分析也能满足设计的精度要求.利用电机结构的周期性,选用充分,合 理的电机计算区域作为有限元模型,可以对电机模型进一步的简化.

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分析过程
本文将应用 ANSYS7.0 软件,对大型永磁电机的电磁场进行分析和计算.这里只研究平 行平面场问题,即二维电磁场,因而只有一个自由度即矢量磁势 Az.电机的对称周期取一 对磁极范围.考虑漏磁的影响,把转轴和机座作为模型的内外边界. 电磁场的经典理论是麦克斯韦方程组,此处不再累述.这里引入矢量磁势 Az 的重要意 义在于对平行平面场, 两点间矢量磁势的差值就是两点间沿 z 轴单位长度上的磁通. 要注意 二维电磁场分析计算得到的基本结果数据都是 Az 值, 通过对 Az 值进行处理可以方便的求出 电机各处的磁密和磁场强度,磁通,反电势和电磁转矩等. 有限元分析的基本思路如下 s 图 1 所示.
2.1 定义电机材料特性
2.1.1 定义硅钢片的材料属性与磁化曲线 定义硅钢片材料特性时要注意, 有些大型电机使用各向异性的冷轧硅钢片, 这里需考虑 材料的正交各向异性.对定子齿部,认为磁密的方向偏离轧制方向为 0 度;对定子轭部,磁 密的方向偏离轧制方向为 90 度;对转子铁芯来说,偏离轧制方向为 0 度,导磁率按静磁场 选择的(f=0) . 输入 BH 曲线要注意: 定义单元类型,材料属性 a) B 值与 H 值要一一对应,并且单调连续,BH 曲线缺省通 电机的基本尺寸的参数化 过原点,(0,0)点不输入. 转子建模(含气隙) b) ANSYS 程序根据 BH 曲线自动计算 v-B 曲线(v 为磁阻 定子建模(含气隙) 率) 它应该也是单调连续的. , 因此如果 v-B 曲线不单调 径向拼接模型 要重新修正 B-H 曲线上的数据点,如图 2 所示. 处理模型的边界条件 c) BH 曲线应覆盖材料的全部工作范围,提供足够多的数据 施加载荷 点以完整描述该材料特性. 求解 d) 有时要剔除那些数值较大的点,再观察曲线的单调性. 后处理 图 1 有限元分析过程
图2
硅钢片的 B—H 曲线和 v-B 曲线
2.1.2 永磁体的材料特性 需要说明的是永磁体的退磁曲线是指剩磁密度 Br 与矫顽力 Hcb 的曲线,以下简称 BH 曲线.退磁曲线通常在第二象限,但 ANSYS 程序中需按第一象限输入.此外还需要知道永磁