永磁电机电磁设计

1、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，运用场一一路结 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，并且能够计算岀推进电机各种运行 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

2、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 PropulsiveMotor of ShipsWu haiyi ngCISC 712 ,430064Abstract In recent years the designers adopt the electric-drive as their ships pow

3、er 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 parame

4、ters 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 repeat

5、ability 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 c

6、hute, 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 silico

7、n sheet lamination-stacking magnetic inductivity anisotropy1刖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，

8、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。2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

9、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

10、意：a）B值与H值要一一对应，并且单调连续，BH曲线缺省通过原点，（0,0）点不输入。b）ANSYS程序根据BH曲线自动计算 v B曲线（v为磁阻 率）,它应该也是单调连续的。 因此如果v B曲线不单调 要重新修正B H曲线上的数据点，如图 2所示。c）BH曲线应覆盖材料的全部工作范围，提供足够多的数据 点以完整描述该材料特性。定义单元类型，材料属性 电机的基本尺寸的参数化 转子建模（含气隙） 定子建模（含气隙） 径向拼接模型 处理模型的边界条件 施加载荷 求解后处理图1有限元分析过程图2硅钢片的BH曲线和v B曲线d）有时要剔除那些数值较大的点，再观察曲线的单调性。2.1.2 永磁体的材料特

11、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ANSY醉序中需按第一象限输入。此外还需要知道永磁体的工作温度，即电机内部温度分布，Br的可逆温度系数，Hcb的可逆温度系数。2.2参数化建模参数化建模具有很多优点， 各个变量物理意义明确， 便于查找和修改。而且可以通过对 话框快速对电机尺寸参数进行调整，缩短调试程序和优化设计的时间。这里采用ANSY测部的对话框进行交互，可以方便其他设计人员对程序的调试，提高程序的通用性，如图3：图3 与用户交互的 ANSYS对话框可以在图3中输入不同功率对应的相电流和转速；也可以调整电机的气隙长

12、度， 定子内径和定子铁芯长等电机重要尺寸参数；可以输入用于保存磁通量和电磁转矩结果文件的文件名。2.3有限元模型的建立和边界条件定、转子应分别建模，这样两部分模型不会相互干扰。定、转子之间的气隙，可定义两 层或更多层，再经过径向拼接得到整个求解区域。分网时应注意疏密结合，气隙部分网格要足够稠密，而且沿径向应均匀分网。其它部分网格可稀疏些。模型尽量使用四边形网格，并 保证节点连续。这里只研究电机转速恒定情况，用有限元法进行电机的电磁场分析，要模拟电机定、转子之间的相对运动。 这里使用运动边界法，即假设定子模型静止不动，让转子部分旋转，和真实情况一样。具体如下：气隙模型中有一条定、 转子网格重合的

13、公共运动边界，分别为定、转子的运动边界上的节点编号，并且保证相邻节点径向间距相等，这样能保证转子旋转后运动边界上的节点重合，压缩重合的关键点（KP）、节点（node）,保持网格的连续性。如图42.4后处理2.4.1反电势的计算单根导体的反电势的计算公式推导（不计斜槽）根据反电势计算的基本公式：'（ 1）贞二在转子为匀速旋转时：（ 2）式中：和一一转子机械角（弧度）'转子机械角速度所求导体的磁链对于单根导体：；. '（ 3）而根据矢量磁位的定义：_i：二厶-（ 4）式中：二定子铁心长度所求导体的 Z方向上的矢量磁位。在进行有限元分析时,计算不同转子位置的磁场分布，而且每次

14、旋转的角度是一个定值。(5)(6)式中:，为常量。2.4.2 ANSYS程序中反电势的计算首先使用ANSYS的 APDL语言在工作路径中创建数据文件写入每个线圈的Az值，然后关闭文件。循环计算中每次打开数据文件，数据以追加方式顺序写入。最后使用上述公式（6）可计算出单根导体反电势，再根据一相下所有导体的串并联关系得到一相绕组的反电势。2.4.3反电势的简化计算利用电机的周期性和齿槽结构的重复性，对于空载情况可采用反电势的简化计算方法，快速得出计算结果（比上述方法快几十倍），并且结果与上述方法相同，这样可大量减少设计时间，快速对不同设计方案进行比较，从而得到最优方案。 这里反电势的简化计算是仅对

15、定、转子在一个槽距范围的几个相对位置进行分析，而不是一对极距范围， 然后对结果数据进行扩展得到一对极范围内的数据。注意此方法不能用于负载情况，因负载时电机电磁场发生畸变。2.4.4考虑斜槽对反电势的影响此处斜槽指把定子槽扭斜一个定子齿距，这样定子槽内一根导体沿轴向各部分感应的齿协波反电势相位就不同了，叠加起来就消弱了导体的齿协波反电势。因上述计算都是二维平面场计算，只有一个自由度 Az,不能在模型中直接体现斜槽的影响。对空载情况，只要把 一个槽距范围内的计算结果相加求平均值即可。对于负载情况因线圈中通电流，磁场发生畸变，在循环计算中取出沿轴向的多个计算平面分别进行计算（线圈中通的电流幅值和相位

16、相同，但定转子的相对位置不同），对得到计算结果相加再求平均值的方法来考虑斜槽的影响。垂直壬犒由的电机籤页2004 ANSYS中国用户论文集2004 ANSYS中国用户论文集图5考虑斜槽时反电势计算示意图图6、图7分别是不计斜槽和考虑斜槽时一相绕组空载反电势波形。从图中可见，考虑 斜槽时导体中反电势波形的幅值减小了，并且齿槽效应对波形的影响也明显减小了。:"八月m.a图6不计斜槽一相绕组的空载反电势波形2.4.5考虑硅钢片叠压系数的影响大型电机的定转子铁心多采用叠片叠压而成,图7考虑斜槽一相绕组的空载反电势波形因而应考虑叠压系数 Kef的影响，所以硅2004 ANSYS中国用户论文集2

17、004 ANSYS中国用户论文集钢片的BH曲线一般不能直接被程序调用，应该对硅钢片的磁化曲线进行修正。如图8所示,2004 ANSYS中国用户论文集已知硅钢片垂直于磁力线方向的截面积为S,磁力线平行穿过硅钢片，因硅钢片之间有多层空气隙，实际的铁芯面积为sx Kef。硅钢片的磁导率远远大于空气，铁芯中的磁力线都从硅钢片经过，因而铁芯中实际磁密值高于不考虑铁芯迭压系数时的磁密值。2.4.6 .电机的计算转矩在后处理中还可以通过ANSYS内部的torq2d或torqc2d宏命令计算电机的计算转矩，CxL0Tl图9电机计算电磁转矩先用path命令在气隙中定义一条圆弧路径（要注意圆弧路径经过周期对称后应

18、该是闭合 的），再调用torq2d宏命令。注意此时的结果是电机一个周期下沿轴向单位长度的计算转矩， 此结果乘以转子铁芯长，再乘以计算区域的周期数才是电机的计算电磁转矩，如图9所示。图8叠压硅钢片示意图2.4.7 .损耗的计算W kg）通这里电机的损耗主要研究定子铁耗的计算方法。硅钢片的损耗系数（单位为 常按以下数值方程计算：Phe=P10/50 b2（50）13式中Ro/50 当B = 1T, f=50Hz时，硅钢片单位质量的损耗。硅钢片的基本铁耗的一般公式为:Pfe = KaPheG fe式中Gfe 受交变磁化或旋转磁化作用的硅钢片的重量；Ka 经验系数。较准确的计算方法是把电机定子沿径向分成“ K”层，以保证磁密在每层范围内有足够的精度，总的损耗通过对各层损耗求和得到。考虑到硅钢片的各向异性，沿轧制方向和垂直于轧制方向的单位损耗曲线是不同的，因而分别计算径向磁密和切向磁密的损耗值。在后处理中取出电机有限元模型中定子硅钢片部分