場路結合法設計分析內置式永磁同步電動機

    張蔚^1,2，林明耀²

(1南通大學，江蘇南通226007；2東南大學，江蘇南京210096)

    摘要：采用場路結合法設計稀土永磁同步電動機。運用有限元分析軟件ANSYS計算承磁同步電動機電磁系數，針剝15 kW永磁同步電動機的設計，計算與分析樣機的交直軸電樞反應電抗，并對氣隙和永磁體磁化方向長度等結構參數對電機陛能的影響進行了分析。

    關鍵詞：水磁同步電動機；有限元分析；場路結合法

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)01—0025—03

0引  言   

    我國是稀土大國，稀土儲量約占世界的百分之80，研究和開發高效稀土永磁同步電動機，可大面積推廣應用我國資源豐富的釹鐵硼永磁材料，可促進一些重工業行業電機拖動方面的節能改造，改變目前我國電能浪費嚴重的現狀，帶來可觀的節能效果和顯著的經濟社會效益。由于永磁同步電動機取消了勵磁繞組、集電環和勵磁柜，與普通電勵磁同步電動機相比，不僅提高了可靠性和免維護性，其效率也有了較大提高；與異步電動機相比，不但效率增加，功率因數也大大改善。因此，研制高效稀土永磁同步電動機替代電勵磁同步電動機和普通異步電動機，具有很大的實際意義。

    由于永磁同步電動機中使用的永磁體形狀多種多樣，給電機設計中的空載漏磁系數、極弧系數和氣隙系數等的確定帶來較大的難度，因此，這些系數的準確計算對永磁電機的設計十分重要。目前在計算這些參數時，常用的計算方法有三種：等效磁路法、有限元法和等效網路法。本文采用場路結合的方法，通過有限元分析軟件ANSYS對電磁場進行數值計算，結合等效磁路法對電機參數進行計算。

1基于ANSYS永磁同步電動機模型的建立

    本文在同類鼠籠式異步電動機尺寸基礎上派生設計15 kW稀土永磁同步電動機樣機，這是一個具有整體轉子沖片結構的稀土永磁同步電動機，如圖1所示。永磁體采用內置徑向式，樣機主要尺寸如下：極數4，定子D₁=260 mm，D_i1=170 mm，轉子D₂=168.7 mm，D_i2=60 mm，定、轉子槽數定子鐵心長L₁=190 mm，磁鋼性能指標：剩磁密度B_r=1.07 T，計算矯頑力H_c=817 25 kA／m：

2永磁同步電動機參數計算方法

    同有限元方法相比，等效磁網絡法沒有有限元計算精確，計算誤差主要產生于下述兩點：

    (1)它不能精確表示出齒槽對氣隙磁密分布的影響,計算的氣隙磁密曲線顯得粗糙。

    (2)為了使等效磁導的劃分與實際齒的各個部分飽和程度相同，必須對齒進行細分，等效為多個磁導．

本設計采用了場路結合的方法，通過有限元分析軟件ANsYs對電磁場進行分析計算，得出空載漏磁系數、計算極弧系數和氣隙波形系數等，結合等效磁路法對樣機進行參數計算，具有較高的精度。下面就對這些系數的計算進行介紹：

2．1空載漏磁系數

    空載漏磁系數是指電動機空載時的總磁通Φ與主磁通Φδ₀之比。它的大小不僅標志著永磁體的利用程度，而且對電動機中永磁材料抗去磁能力和電動機的性能也有較大的影響。通常的解析法計算漏磁系數誤差較大：本文首先建立ANsYs樣機模型，然后分別選擇永磁體與氣隙路徑進行電磁場數值計算，算出空載漏磁系數圖2顯示了ANsYs中樣機模型的空載磁力線分布。

2.2計算極弧系數

    極弧系數α_i的大小決定于徑向磁場沿圓周的分布。對于永磁電機，氣隙磁場的分布與永磁體充磁方式、磁路飽和程度等因素有關：通過ANsYs分析可以得出的樣機中空載氣隙磁密波形如圖3所示，進而分別對空載氣隙路徑積分求平均值和求氣隙磁密****，即可得出極弧系數