永磁同步电机交直轴同步电抗参数仿真

陆海斌，胡粤华，杨蒙蒙

（1.长安轻型车研发中心，河北 定州 073000；2.金泰德胜电机有限公司，广东 佛山 528308）

永磁同步电机交直轴同步电抗参数仿真

陆海斌1，胡粤华2，杨蒙蒙1

（1.长安轻型车研发中心，河北 定州 073000；2.金泰德胜电机有限公司，广东 佛山 528308）

为了研究永磁体励磁饱和对电机交、直轴同步电抗的影响，从理论上简单阐述直接负载法的原理。运用有限元法对某内置式永磁同步电机负载仿真，通过对交、直轴电流参数解耦扫描，得到交、直轴电流组合下的反电势曲线，对仿真得到的反电势基波幅值及其相位通过后处理分析，形成交、直轴电抗矩阵和其随交、直轴电流变化的曲线，最后总结电抗参数Xd和Xq随交、直轴电流的一些变化规律，为该种电机的准确设计提供参考。

内置式永磁同步电机；有限元法；反电势；交、直轴电流；交、直轴电抗

永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor，简称PMSM）的交、直轴电抗参数与其稳态和动态运行性能关系极大，是PMSM设计成败和研究其运行性能的关键。与传统电励磁同步电机相比，PMSM不仅在励磁结构、磁路结构上有很大差别，其交、直轴电抗参数，特别是瞬态参数的物理意义及其测试方法也有差别。凸极同步电机直轴气隙小而交轴气隙大，=因此直轴磁路相对饱和，而永磁电机刚好相反，直轴存在永磁体，等效气隙大，所以交轴磁路更容易饱和［1］。通过有限元法来分析饱和对PMSM交、直轴电抗的变化，对PMSM设计有重要的指导意义。

1 直接负载法

永磁同步电机稳定运行时，转轴上输入（发电机）或输出（电动机）恒定转矩，来实现机电能量的转换。由于转子上开有永磁体槽，造成了沿气隙圆周磁阻的不均匀，所以，采用把磁路分为对称的交、直轴的双反应理论来分析稀土永磁同步电机的运行情况，其负载运行时相量图如图1所示。

图1 永磁同步电机相量图

当永磁同步电机负载运行时，在测取空载励磁电动势E0、电枢端电压U、电流I、功率P、功率因数角和功率角θ等值之后，便可求得电枢电流的直轴和交轴分量

1）发电机运行时

2）电动机运行时

永磁同步电机稳态参数随电机运行状况改变而改变，当电枢电流变化时，Xd和Xq都有所变化。因此，在仿真时须考虑电机运行工况，且测定电机参数值时也必须同时注明电机的工况（交、直轴电流大小或者定子电流和内功率因素角）。

2 有限元法

2.1 空载反电动势E0

空载反电势E0是永磁同步电机一个比较重要的参数，它由电动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生，公式如下［2］

式中：f——频率，Hz；Kdp——绕组因数；N——每相串联匝数；Kφ——气隙磁通波形系数；bm0——永磁体空载工作点磁密标幺值；Br——剩磁密度，T；Am——永磁体提供的每极磁通截面积，cm2；σ0——空载漏磁系数。

E0的大小不仅决定电动机运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动、稳态性能影响很大。

以某IPM电机有限元仿真，分析其额定工况下电抗参数。电机参数值：额定功率P为40 kW；极对数p为4；最大扭矩T为290 Nm；定子槽数Q1为48。

为了仿真方便，取1/8模型。如图2所示。

从图3可以看出，给电机电流激励源后，电机转子磁桥出现饱和。

2.2 基于ansoft maxwell的电抗矩阵分析

通过Optimetrics参数扫描Id、Iq，得到交、直轴电流激励下的反电势曲线，见图4。经过FFT（傅里叶分解）得到不同交、直轴电流下的气隙磁密基波幅值和其所对应的相位，作为电抗矩阵的输入。

图2 PMSM模型和反电势曲线

图3 电机磁密云图对比

图4 PMSM反电势扫描曲线

经处理，得到电机交、直轴电抗矩阵数据，见表1、表2。

表1 Xd直轴电抗矩阵

表2 Xq交轴电抗矩阵表

2.3 交、直轴电抗曲线分析

为了更好地反映出Id、Iq对电机电抗饱和与交叉饱和的影响，笔者采用图5曲线图的表达方式来描述。

图5 Xd，Xq电抗解耦图

图5体现了交叉饱和对参数的影响，随交、直轴电流的增大，Xd、Xq都呈下降趋势。但交轴电抗的变化较直轴电抗的变化更为明显，下降幅度远大于直轴电抗，这是因为交轴磁路磁阻小，更易导致饱和［3］。

［1］ 刘长红，姚若萍，刘彤彦.变频调速永磁同步电机电抗参数的研究［J］.大电机技术，2003（5）：1-5.

［2］ 唐任远，李振标.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］ 尚静，邹继明，孙立志.异步起动稀土永磁同步电机电抗参数准确计算［J］.哈尔滨工业大学学报，2005，37（1）：120-122.

（编辑 凌 波）

Quadrature & Direct Axis Synchronous Reactance Parameter Simulation for Permanent Magnet Synchronous Motor

LU Hai-bin1，HU Yue-hua2，YANG Meng-meng1
（1.Changan Light Co mmercial Vehicle R&D Center，Dingzhou 073000，China；2.Kim Tae Desheng Electric Co.，Ltd.，Foshan 528308，China）

In order to study effects of the permanent magnet excitation saturation on motor quadrature and direct axis synchronous reactance，this article theoretically expounds the principle of simple direct load method.Using the finite element method to conduct the load simulation on a built in permanent magnet synchronous motor；through the axis current parameter decoupling scan to obtain the back-EMF curve；conducting the postprocessing analysis on back EMF amplitude and phase，and form the current matrix and curve；and finally su mmarizes change patterns of reactance parameters Xdand Xqwith axis current，which provides references for accurate motor design.

built in permanent magnet synchronous motor；finite element method；back EMF；q/d axis current；q/d axis reactance

U463.645

A

1003-8639（2017）09-0033-03

2016-11-29；

2017-06-02

陆海斌（1983-），男，工程师，研究方向为新能源汽车电机设计、电机系统测试开发；胡粤华（1985-），男，工程师，研究方向为新能源汽车电机优化设计；杨蒙蒙（1989-），女，工程师，硕士，研究方向为新能源汽车电机设计、电机系统测试开发。