基于Ansoft的永磁电机漏磁系数仿真准确性研究

周勇，占钰涛，戴文星

应用研究

基于Ansoft的永磁电机漏磁系数仿真准确性研究

周勇，占钰涛，戴文星

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

通过Ansoft仿真平台，以一台内置式永磁同步电机为研究对象，分别在二维和三维仿真模型中进行漏磁系数计算，验证了仿真的准确性。通过分析不同永磁体厚度下漏磁系数的变化情况，得出了提升永磁体厚度可以提高永磁体利用率的结论。

永磁同步电机 漏磁系数 Ansoft仿真

0 引言

漏磁系数是内置式永磁同步电机最重要的参数之一，表示了永磁体的利用率，其大小对电机的稳定性、转矩脉动、弱磁调速能力有重要影响[1～2]。对漏磁系数进行精准计算有利于提高电机设计精度和性能[3～6]。目前对于漏磁系数的计算主要有基于经验的路算法和二维有限元法。其中路算法随着电机结构的复杂化和饱和程度的变化增大会出现偏差，二维有限元法假设电机轴向磁场无变化，忽略了电机的端部漏磁。

本文以一台内转子内置式永磁同步电机为研究对象，分别建立其二维和三维仿真模型，对不同永磁体厚底下的漏磁系数进行对比分析，验证二维有限元法计算漏磁系数的准确性。

1 漏磁系数计算

永磁电机中，通过永磁体的总磁通包括与电绕组交链的主磁通和不与电枢绕组交链的漏磁通，如图1所示。漏磁系数表征漏磁通占总磁通的分量比例，反映永磁体的利用率，表示为[7]：

利用磁路积分法可以准确的计算磁通：

式中：δ——总磁路积分面积；

m——主磁路积分面积；

δ——总磁路积分面上的磁密；

m——主磁路积分面上的磁密。

当忽略端部漏磁，假设电机轴向对称时，（2）式可表示为：

式中：l——总磁路积分路径；

m——主磁路积分路径。

图1 主磁通及漏磁通线示意图

2 漏磁系数有限元分析

本文的研究对象是一台2500 kW内转子内置式永磁同步电机，其主要参数如表1所示。

表1 永磁电机基本参数

在Ansoft18.1中建立此电机的二维和三维模型，在空载工况下进行静磁场仿真，得到两种模型下的磁密矢量图（轴向方向），如图2所示。从图中可知，二维和三维仿真结果一致，且电机空载磁场在轴向方向上的的变化很小。

图2 二维和三维仿真磁矢量结果

在相同的径向位置分别建立总磁场和主磁场的积分面（三维）和积分路径（二维），提取此处的磁密波形，分别如图3和图4所示。图3右图可见，因端部效应，主磁通在端部突增。由于积分路径的径向方向位置相同，可以用平均磁密来反映总磁通的大小关系。利用式（2）和式（3）的方法，求得二维和三维仿真情况下主磁场、总磁场的平均磁密值和漏磁系数，列于表2中。结果表明，二维仿真较三维仿真相比，主磁通、总磁通和漏磁系数均略高，但偏差比较小，故可以利用二维仿真较准确地进行漏磁系数计算。

图3 三维仿真磁磁密波形图

表2 漏磁仿真分析结果

3 永磁体厚度对漏磁系数影响对比分析

使用前文所述的方法，对不同永磁体厚度下的漏磁系数进行计算，结果如图5所示。从图中可以看出，随着永磁体厚度的增加，漏磁系数随之降低。二维仿真结果较三维仿真偏高，其差别很小且稳定。

图5 不同永磁体厚度时的漏磁系数

4 结论

本文以一台2500 kW内置式永磁同步电机为例，分别建立其二维和三维仿真模型，对不同永磁体厚底下的漏磁系数进行对比分析，通过研究得出以下结论：

1）采用二维磁场进行漏磁系数仿真时，忽略电机的端部效应，假设电机磁场轴向无变化时，相比于三维磁场仿真，操作简单，用时更少，其差别很小且稳定；因此可以使用二维平面场仿真得到精准的仿真结果。

2）电机其他结构参数不变，随着永磁体厚度的增加时，漏磁系数则随之降低，永磁体的利用率显著提高。

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Research on Ansoft-simulation Accuracy of Permanent Magnet Motor Leakage Coefficient

Zhou Yong, Zhan Yutao, Dai Wenxing

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

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TM341

A

1003-4862（2021）09-0054-03

2020-12-09

周勇（1996-），男，助理工程师。研究方向：机械制造。E-mail：1286402728@qq.com