永磁电机弱磁性能仿真分析规范

永磁电机弱磁性能仿真分析规范目录1 范围 12 规范性引用文件 13 术语 14 软件设施 25 输入数据 26 分析流程 26.1 定义直轴和交轴电流 26.2 弱磁能力扫描 36.3 设置输出绘图 47 分析数据处理及结果评价 47.1 数据处理 47.2 结果评价 57.3 分析报告 6永磁电机弱磁性能仿真分析规范范围本规范规定了电机电磁仿真分析的要求，用以规范仿真工程师对永磁电机有限元分析时电机模型和参数设置，以提高电机有限元分析的一致性。本规范仅针对PMSM（永磁同步电机），不适用于直流电机、感应电机及磁阻电机。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。电机电磁仿真建模规范电机转矩、损耗与效率仿真分析规范GB/T2900.25-2008电工术语旋转电机术语术语和定义可参照GB/T2900.25执行。反电动势在定子绕组线圈驱动永磁转子作跟随磁场旋转的同时，永磁转子的磁场也在对绕组线圈做切割磁感线运动，因此绕组线圈会感应产生反电动势。对于电动机而言，为保持电机正常运行，必须保持绕组两端的电源电压大于反电动势，才能保证电流输入做功，否则电机无法对外输出功。磁链磁链又称磁通，即导电线圈或电流回路所链的环的磁通量，电机的磁链与线圈匝数、每匝磁通量甚至永磁体性能有关，表征电机的磁场强度。弱磁在直流电机的控制理论中，电机的磁场强度与其运行速度成反比。一般的电机控制在其达到额定转速之前是按照恒转矩方式进行控制，电机速度与电枢电压成正比；而达到额定转速后则按照恒功率方式进行控制，电枢电压恒定，电机速度与磁场强度成反比。沿用直流电机的矢量控制模型，交流电机在额定转速以上区间采用类似恒功率调速的方式，通过弱降低磁链维持反电动势、保证电机正常运行，而采取的手段称为弱磁。弱磁调速为了使在额定转速以上区间运行，同时保证输出转矩，需要降低电机的磁链，降低反电动势，才能维持电机正常运行。为了达到以上目的而采用的调速方式称之为弱磁调速。软件设施本规范推荐采用AltairFlux12.0及以上版本作为电磁仿真建模及分析软件。输入数据电机交直轴电感仿真分析仅输入条件应满足《电机电磁仿真建模规范》及《电机转矩、损耗与效率仿真分析规范》，还应提供以下参数：弱磁电流曲线或函数关系，即直轴电流（Id）和交轴电流（Iq）曲线；相电流最大有效值（限值）Imax。分析流程瞬态分析，基本流程同《电机转矩、损耗与效率仿真分析规范》，包括以下内容：定义Id、Iq；扫描Id、Iq变化对电机性能的影响；定义输出参数及绘图。定义直轴和交轴电流定义输出参数按表1定义输出参数，用于三相电流的计算，如表1所示。表1电感输出参数名称关系式单位电机极对数P/初始转子位置iniPos（机械位置）deg转子电位置pos=(Moving1.Position-iniPos*pi/180)*P+pirad\cos0=cos(pos)/\cos1=cos(pos-2*PI/3)/\cos2=cos(pos-4*PI/3)/\sin0=sin(pos)/\sin1=sin(pos-2*PI/3)/\sin2=sin(pos-4*PI/3)/注：加粗字体为内置函数，Moving1.Position表示仿真过程中转子的机械角度。定义三相电流定义Id、Iq，根据派克变换计算三相电流，如表2所示。表2三相电流变换名称关系式单位D轴电流Id（输入值）AQ轴电流Iq（输入值）AA相电流Ia=Id*cos_0+Iq*sin_0AB相电流Ib=Id*cos_1+Iq*sin_1AC相电流Ic=Id*cos_2+Iq*sin_2A相电流有效值Irms=sqrt(I_d^2+I_q^2)/sqrt(2)A铜损Pcu=3*Irms^2*RW线反电动势E（平均值）V磁链Flux（平均值）Wb弱磁能力扫描对永磁电机来说，Iq相当于电枢电流，Id相当于励磁电流。Iq不变时，通过增加Id可以在转速不变的情况下减小磁链，降低反电动势，同时增加输出转矩，达到弱磁的效果。通过弱磁可以在设计参数不变的情况下提高电机的转速，提高电机的最大运行范围。Id不变时通过减小Iq也可使磁链减小、反电动势降低，但输出转矩也会减小，因此通常不会采用单独减小Iq的措施。根据给定的Id、Iq定义Id扫描区间，Id最大值Idmax=sqrt(2*Imax^2-Iq^2)，扫描Id~Idmax之间线反电动势最小值Ei。图1E-Id曲线输出Ei所对应的Id以及转矩T、相电流Irms、铁耗Pi和涡流损耗Pm对应数值及曲线，计算此时的电机效率Eff。表3数据处理名称关系式单位线反电动势Ei（三相平均值）VD轴电流Id（扫描值，对应Ei）AQ轴电流Iq（输入值）A输出转矩T（平均值）N·m转矩脉动ΔT/T（转矩峰峰值与平均值之比）%铁耗Pi（平均值）W涡流损耗Pm（平均值）W相电流IrmsA输出功率Pout=T*ω=T*Rm*pi/30≈T*Rm/9.55W铜损Pcu=3*Im^2*RW输入功率Pin=Pout+Pcu+Pi+Pm（不计风摩和杂散损耗）W电机效率Eff=Pout/Pin%设置输出绘图如图2至图5所示，应输出最优功率角下的线反电势-Id曲线、转矩-Id曲线、相电流（有效值）-Id曲线、损耗（铁耗、涡流损耗）-Id曲线、铜损-Id曲线和Ldq-Id曲线。图2T-Id曲线分析数据处理及结果评价数据处理根据表3输出相关参数，根据图2至图5输出相关绘图。图3Irms-Id曲线图4Loss-Id曲