基于Ansoft的IPM永磁同步电动机磁场计算

李 勇，姜新通，史庆夫，酒晨霄，刘彦彬，陆永平

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

0 引 言

随着电力电子技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展，永磁同步电动机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用，尤其是在伺服传动领域，永磁同步电动机正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。在交流同步伺服驱动系统中应用的交流永磁伺服电动机有两大类，一类是无刷直流电动机(BLDCM)，其定子绕组中的电流是方波电流;另一类是交流永磁同步电动机(PMSM)，它定子绕组中的电流是三相正弦波形。相对而言，由于三相永磁同步电动机的线感应电动势波形为正弦波，在定位力矩、力矩波动、噪声等各方面性能更优越，因而在精密伺服驱动领域应用更为广泛。

永磁同步电动机的磁场来自于电机转子上的永久磁钢，而气隙磁场的分布在很大程度上决定了电机的特性好坏，因而气隙磁场设计一直是永磁同步电动机的核心问题之一，对电机性能具有重要影响。在永磁同步电动机转子上安装永磁体的方式主要有两种，一种是将磁钢装在转子表面，即表贴式(SPM);另一种是将磁钢埋入转子里面，即内置式(IPM)。两者各有优缺点，相对来说，IPM永磁同步电动机具有转动惯量低、机械结构稳固、动平衡性能好等优点，更适宜于在较高转速的驱动领域应用。

本文结合具体科研项目，从IPM永磁同步电动机的Ansoft建模入手，研究了IPM永磁同步电动机的磁场分布规律，以及磁极分布形式、磁极个数等参数对电机性能的影响，尤其重点讨论了磁钢形状和两极情况下的永磁同步电动机磁场分布规律。本文的研究结果对促进IPM式永磁同步电动机的工程应用具有参考价值。

1 IPM永磁同步电动机磁场分布特点

1.1 Ansoft软件介绍

常用的计算电机中电磁场的大型软件有Ansoft、Ansys、Flux 等，其中尤以 Ansoft Maxwell最为流行。Maxwell有2D和3D两种模型，可以计算交直流电磁场、瞬态电磁场、应力场等多种场域。另外，Ansoft Maxwell还可以结合外接电路进行基本性能的仿真计算，如电磁转矩、电压调整率等。

对于一般性的电机设计问题，建立二维的2D模型得到的计算结果足以满足设计需要。本文就是采用了2D模型进行计算。

1.2 IPM永磁同步电动机的Ansoft模型

一个30槽4极“V”型磁钢的永磁同步电动机的Ansoft 2D计算模型如图1所示，其中定转子硅钢片材料选用DW470－50，磁钢材料选用38SH。

根据上述模型，分别在Ansoft软件中对永磁磁钢和励磁绕组等部分的属性进行定义，则可以分别计算得到该同步电机的直轴磁场(对应磁钢充磁，定子绕组不通电，ψd=定值，ψq=0)和交轴磁场(对应磁钢不充磁，定子绕组通三相交流电，ψd=0，ψq=定值)分布图如图2所示。

图1 IPM永磁同步电动机的2D磁场计算模型

图2 IPM永磁同步电动机的直轴和交轴磁场分布

由图中磁力线的分布规律可以看出，内置式永磁同步电动机的交轴磁通主要都通过永磁体中心的对称区域，而且磁力线的方向是与直轴磁场正交的。因此，如果要减少交轴磁场的影响，就要在永磁体中心区域设置辅助槽来调节和控制交轴磁路，进而达到最后调节气隙磁密的效果。这种磁场分布特点是内置式特有的，是与表贴式完全不同的。

1.3 IPM永磁同步电动机的磁场计算结果

永磁同步电动机最主要的特性就是输出特性，包括外特性和效率特性。和外特性密切相关的是反电势系数和各个阻抗，和效率特性密切相关的则是电机各部位的损耗。电机的反电势波形取决于绕组分布和气隙磁密分布，而损耗则直接取决于电机定转子齿、轭等处的磁密。所以，磁场计算的最主要目的，就是得到永磁同步电动机气隙磁密、轭部磁密、齿部磁密以及线反电势波形。

对应图1中的计算模型，通过Ansoft软件的后处理程序，得到该电机的气隙磁密、轭部磁密、齿部磁密以及线反电势如图3～图6所示。

由图中的计算结果可以看出:

(1)空载气隙磁密的波形较平，而且在角度为90°左右时畸变比较明显。这主要是因为在这个角度存在辅助槽，使得此处的转子内部磁场高度饱和，进而导致径向磁密畸变。

(2)负载情况下电枢反应的存在引起了各部分磁密分布的畸变。不管是气隙磁密还是轭部和齿部磁密，在一个极距内波形不再平顶，会出现略微的相位偏移。半边波形幅值的提高使得各磁密的平均值也略有增高。

(3)对于我们最关心的反电势、空载和负载情况下线反电势的特点是波形变化不大但数值上略有下降。根据图中的波形可以计算得到空载和负载时电机的线反电势系数:kelp0=0.002 1 V/(r·min－1);kelp1=0.002 0 V/(r·min－1)，即下降了5%左右。考虑到空载计算比较便利，进行方案对比时以空载计算的比较为准，只需要把负载时的下降趋势考虑进去即可。

2 转子磁钢形状的影响研究

对于IPM永磁同步电动机来说，为了充分利用转子空间，一个磁极往往要采用多段式结构。磁极的形状不同，形成的磁场分布规律也不同，因而设计出结构合理的磁钢形状对这种电机是最重要的。在使用同样材料的前提下，一个比较好的方案应该是尽量采用比较简单的工艺和获得尽量高的电势系数，这是方案对比的标准。

磁极数比较少时，获得好的磁场分布规律相对更困难一些。对于一台2极电机，对应相同定子结构，转子磁钢采用两段、三段、四段三种形状时，电机的有限元模型和线反电势波形如图7、图8、图9所示，各图的计算模型中标示出了磁极的极性。

对比三种计算结果，可以得到如下结论:

(1)从气隙磁密的波形来看，谐波含量最少的是每极四段W型结构，其次是二段V型和三段梯形。

(2)从气隙磁密的大小来看，基波幅值最大的是三段梯形，其次是二段V型和四段W型。

(3)三段梯型结构产生的磁密幅值较大，但顶部类似于平顶波，而且容易达到饱和。

因此，对三段梯型结构进行改进，保持其幅值大的优点，改善其波形平顶的缺点，应该是最佳的选择。

3 转子磁极数的影响研究

永磁同步电动机设计时，如果增加磁极数，则电机中的漏磁通比例会相对下降，力矩系数会增大，电机的效率也会有所增加。但磁极数太多也存在明显的缺点，比如磁通交变频率增加会导致铁损的大幅度增加，电路损耗也会增加。

对于相同的外形尺寸和性能要求，所设计的一台4极电机对比方案的空载气隙磁密波形和线反电势计算结果如图10所示。对应2极和4极，空载气隙磁密分别为0.6 T和0.8 T，单匝线反电势系数分别是0.001 5 V/(r·min－1)和0.002 1V/(r·min－1)。

图10 一台4极电机的磁场计算结果

由计算结果进行比较可知:

(1)电机的磁极数越少，轭部的局部饱和越严重，设计时越要进行磁路结构调整。

(2)电机的磁极数越少，磁路的漏磁占的比例越大，气隙磁密数值越低。

(3)在一定范围内，磁极数的增加有利于增大线反电势大小，并改善其波形。

4 结 语

根据上述计算和分析，本文研制了18.5 kW的永磁同步电动机样机，并进行了实验测试。测试架上的样机如图11所示，样机测试线圈的线反电势波形如图12所示，其数值大小和计算结果是相符的。

本文以ANSOFT有限元计算为基础，研究了内置式永磁同步电动机的磁场问题。计算结果表明，一般情况下，当磁极数较少时每极四段W型磁钢结构为首选，当磁极数较多时每极二段V型磁钢结构为首选。两极IPM永磁同步电动机的磁场特性不理想，应当以4极结构为首选。样机的测试结果证明了所做计算的正确性。

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