基于Ansoft汽车永磁电机磁场有限元分析

陈善章,张振东

(上海理工大学 机械工程学院,上海　200093)



基于Ansoft汽车永磁电机磁场有限元分析

陈善章,张振东

(上海理工大学 机械工程学院,上海200093)

摘要针对Ansoft Maxwell软件的电磁仿真方法是否有效,分别采用Ansoft Maxwell和Simplorer软件对磁场和电路进行仿真的方法。分析了永磁同步电机的结构,建立永磁同步电机的电-磁场理论模型和电磁损耗模型,用电磁仿真软件进行仿真。通过电机性能实验台测试永磁同步电机的关键输出特性,并与仿真结果进行对比分析。结果表明,参数误差均<5%,验证了电磁仿真的有效性。

关键词永磁同步电机;电磁理论;仿真分析

Finite Element Analysis of EM Field of Vehicle Drive Motor Based on Ansoft

CHEN Shanzhang,ZHANG Zhendong

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractSimplorer and Ansoft Maxwell are used to perform simulation analysis of circuit and magnetic field to show whether the Ansoft Maxwell electromagnetic simulation method is effective.The structure of permanent magnet synchronous motor is studied and the permanent magnet synchronous motor electric-magnetic field theory model and electromagnetic loss model established based on electric and magnetic field coupling theory.The simulation results are consistent with test results with an error less than 5% for all parameters.The above results prove that the electromagnetic simulation model and simulation method are effective.

Keywordspermanent magnet synchronous motor;electric-magnetic theory;simulation analysis

随着社会的发展和人们生活水平的提高,对汽车绿色环保趋势的需求越来越迫切。稀土永磁电机具有结构简单、体积小、重量轻、铁芯损耗少、效率高、运行可靠等优点,成为新一代高效节能汽车电机中的主要类型。稀土材料性能和制造工艺水平不断提高,永磁同步电动机的磁路设计受到广泛关注,在电机的设计中,磁场分析是重要的,其是电机设计与计算的基础,电机性能的好坏直接与它的磁场设计相关。而电机设计的关键参数是气隙中的磁通密度,其是分析电机性能、计算空载漏磁系数、极弧系数和磁通波形系数的基础[1-2]。

目前,国内外学者提出电机磁路的计算方法主要有:等效磁路法、场路结合分析法和电磁场数值计算法。基于路的电机设计方案可较快的确定电磁方案,但随着对电机性能要求的不断提升,完全基于路的设计不能满足对精度的要求。基于场的设计对计算机的资源要求较高,而基于场路结合的设计方法既能做到快速又能满足精度要求,场路结合分析法将磁场和磁路的分析方法融合,在电机设计效率和参数计算精度两个方面折中考虑,有较好的实用性[3]。

电磁场数值计算法分为有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等4种基本类型,以有限元分析法最为有效,具有求解方便、精度高、收敛性好等特点。Ansoft/Maxwell是一个功能强大、结果准确、易于使用的电磁场有限元分析软件,它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块,可方便地分析电机、传感器和变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况与故障工况的特性。本文针对永磁同步电机运用 Ansoft软件建立永磁同步电机模型,经过前处理、求解和后处理3个步骤,得到永磁同步电机的气隙磁通密度分布图,通过实验对仿真结果进行了验证。

1永磁同步电机的有限元分析模型

1.1永磁同步电机几何模型

永磁同步电机几何结构模型,其结构主要由定子绕组、铁芯、永磁体、转子铁芯等构成。其中,绕组由3根910 mm的铜线组成A、B、C三相,导线是由50根直径为0.43 mm的线束构成;定子是采用4对极48槽结构,永磁体在转子叠片上采用大开口;磁极采用“V”型结构,该结构能增加电机的转矩减少转子质量,同时能显著降低磁场涡流的损耗且防止磁通量瞬间变化。电机几何结构模型具有对称性,选取永磁同步电机的1/8几何模型的结构进行磁场仿真分析,电机的具体参数如表1所示。

表1　永磁同步电机结构参数

1.2永磁同步电机的有限元建模

电磁场的数值计算法有积分方程法、有限元法、有限差分法和边界元法4种类型,其中有限元分析法具有求解方便、精度高、收敛性好等特点。因此,有限元法为电磁场计算领域中的主导方法。这种方法主要是以变分原理、场域网格划分和插值计算为基础,将偏微分方程所描述的连续函数所在的封闭场划分成有限个小的区域,进而将整个场离散化,求解获得场中函数的近似值[3]。

1.2.1磁场基本方程

直流无刷电机电磁场的有限元分析是从麦克斯韦方程组得出的,麦克斯韦方程组表示为

·D=ρe0

(1)

(2)

·B=0

(3)

(4)

直流无刷电机内的磁场由转子永磁体和通电绕组线圈同时产生,二者均为恒定磁场且同步旋转,因此无刷电机的气隙磁场视为恒定磁场。虽逆变器供电所引起的谐波磁场是时变磁场,但由于这种磁场幅度较小,因此在分析中可忽略该谐波引起的时变场。上述麦克斯韦方程组尚不完备,仍需补充3个描述介质性质的方程式。对于各向同性的介质,即有无刷电机内磁场的基本方程为

D=εE

(5)

B=μH

(6)

j0=σE

(7)

式中,ε、μ和σ分别是介电常数、磁导率和电导率。

对于无刷电机二维磁场若电流密度为Z方向,即j0=Kjz,jx=jy=0则矢量磁位Az也只有Z方向的存在,即A=KAZ,AX=AY=0,所以在二维平面场中泊松方程变为标量形式

(8)

1.2.2边界条件

在解方程之前,需要对磁场的边界条件进行确定。对于二维恒定磁场,当磁力线与边界平行的边界,矢量磁位Az=0,此为第一类边界条件。

当永磁体电流等效时,满足

(9)

此为第二类边界条件。

1.3有限元求解

由上讨论所得电机磁场的数学方程为

(10)

AZ=0

(11)

(12)

式中,jm为永磁体的等效电流密度;Γ为永磁体和其他媒质的交界;μ1和μ2是磁阻率,从上式出发,构造等价的能量泛函,再利用变分原理和离散化求其近似解。建立泊松方程等价的能量泛函[4]

(13)

式中,Ω为电机求解域场将连续的计算区域划分有限个单元,剖分单元后,能量泛函则变为

(14)

构造磁位的插值函数,将变分问题离散化,这样能量泛函的极值问题变成为有限单元的多元函数极值问题,让各多元函数对各自变量的偏导数为零,可获得满足能量泛函取极小值的条件,即节点磁位的矩阵方程,求解即得节点磁位解。

2电磁场有限元仿真分析

驱动电路设计采用Simplorer软件,其仿真输出信号作为磁场计算的初始条件;瞬态磁场计算采用Ansoft Mexwell软件,该软件可通过定义材料参数和材料热属性参数计算不同时刻的涡流损耗和磁滞损耗[5-7]。

2.1基于Simplore软件电路仿真模型

在计算永磁电机电-磁特性时,利用Simplorer软件对同步永磁电机的驱动电路进行仿真,电路仿真模型如图1所示。

图1　基于Simplorer的驱动电路仿真模型

2.2电磁场仿真分析

利用Maxwell Ansoft软件可准确地建立永磁同步电机模型,选永磁同步电机的1/8模型结构作为瞬态电磁场仿真计算的模型。在进行瞬态场计算时,因气隙处的网格是动态网格,所以需要对永电机仿真气隙处剖分之后的永磁电机网格如图2所示。

图2　电机网格模型

永磁电机的磁路结构、工作气隙和材料特性是进行机电能量转换的重要参数,传统的电磁计算方法无法直观地对磁路结构、工作气隙和材料特性进行评价,本文借助Ansoft Maxwell软件对混合动力汽车用永磁同步电机进行瞬态电磁场有限元分析,直接获得了永磁同步电机在同一周期不同时刻的磁力线、磁感应强度的分布图,部分结果如图3和图4所示。

图3　不同时刻磁力线分布图

图4　不同时刻磁感应强度分布图

2.3输出特性分析

在200 Hz条件下永磁同步电机转矩输出特性的曲线,电机输出转矩随电流的改变而上下波动。转矩的幅值与平均值大小,与电流大小和电流的初始相位角有关,当电流初始相位角θ=0°时,此时的输出转矩较小,随着电流的相位角不断增加,其输出的转矩平均值逐渐变大,但其幅值变化趋势是先增加后减小。在一定范围内,相位角相同情况下,永磁电机输出的转矩平均值大小随着电流的变大而增大。

3永磁同步电机试验研究

3.1永磁同步电机性能测试装置

本文采用GW160型电涡流测功机和减速箱对汽车永磁同步电机进行测试,永磁同步电机通过减速箱与测功机连接,如图5所示。高速转矩传感器通过法兰与减速箱输入轴相连,低速转矩传感器通过花键与减速箱箱输出轴相连。

图5　同步永磁电机性能测试装置

3.2输出特性分析

通过实验对驱动电流为150 A和200 A,选取相位角不同时,永磁电机的输出转矩进行测试,测试实验的结果与仿真实验的结果进行对比,如图6所示。由图可知,随着电流逐渐的增加,电机输出的转矩也不断增大,输出转矩的最大值在相位角为140°左右的情况出现,试验结果与仿真结果变化规律相似,且试验与仿真的数据误差相对较小,满足实际工程参数计算的需要。

图6　不同电流时转矩变化对比图

4结束语

(1)以某型车用永磁同步电机结构,结合电磁理论,建立电机的电-磁模型和电磁损耗模型;

(2)利用Simplorer电路仿真软件建立了电机的驱动电路仿真模型,Ansoft Maxwell软件对电机的三维瞬态磁场一个周期内进行模拟仿真;

(3)对车用永磁同步电机的转矩输出特性进行实验测试分析,结果表明,实验与仿真的结果基本吻合,基于Ansoft软件电磁特性仿真优化为实际的工程应用提供了有效方法[8];

(4)本文在 Maxwell环境下建立了永磁直流无刷电动机的1/8仿真模型,仿真结果准确反映了永磁直流无刷电动机的磁力线、磁通密度和电磁损耗分布,保证了有限元分析的高精度,又大幅降低了计算量,对后续工作具有一定的理论参考价值。

参考文献

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中图分类号TM351;U461.4

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-168-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.044

作者简介:张振东(1968—),男,博士,教授,博士生导师。研究方向:汽车发动机及零部件。陈善章(1976—),男,硕士研究生。研究方向:汽车电机。

基金项目:上海市教委科研创新基金资助项目(13YZ110)

收稿日期:2015- 10- 05