基于ANSOFT的永磁直线无刷直流电动机的仿真研究

基于Ansoft的永磁电机定子匝间短路故障仿真实现方法

随着第三代永磁材料成本下降，永磁电机以其高效节能的突出优势已成为当今工业电机、风力发电以及电动汽车驱动电机的首选。永磁电机的广泛应用，使得其故障研究已成为关注的热点。本文对永磁电机定子匝间短路故障的模拟方法进行了研究，提出在Ansoft软件环境下，可以通过改变定子绕组匝数和激励源的大小两种方法实现，求解后便可得到永磁电机匝间短路后的故障性能曲线和参数。

标签：永磁；电机；定子；匝间短路

1 引言

永磁电机因其用永磁体代替了转子上的励磁绕组，使其具有效率高、体积小、节能效果明显等特点，致使传统电机本体的永磁化是其重要的发展方向，同时也成为节能产品首选电机机型，常见的永磁电机主要包括永磁同步电机，永磁无刷直流电机，永磁直线电机等。永磁电机在长期连续运行过程中，如果外界条件比较恶劣，将有可能引发各种故障，而定子匝间短路故障是最常见的故障之一，如不能及时发现，将会进一步恶化，发展为严重的单相接地故障和相间故障，甚至破坏性更大的三相短路故障，影响生产的产品质量和所拖动机械设备的工作状态。随着永磁电机在汽车工业、航空系统、电力产业等行业的广泛应用，吸引了更多学者对永磁电机故障展开研究，而电机的故障实验研究是一项破坏性研究，因此仿真分析方法是电机故障研究常用的方法，在仿真分析的基础上对电机故障进行研究更具有目的性，同时也为故障实验的研究提供依据，基于此，本文对永磁电机定子匝间短路故障的仿真实现方法进行了探索。

2 永磁电机仿真模型的建立

Ansoft软件是有限元（FEM）数值分析方法的一种，可以用来分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的各种特性[1]，其所所建模型能够反映电机内部各种因素的影响。本文以Ansoft/Maxwell为仿真平台，仿真电机为丰田混合动力车驱动用永磁同步电机，其额定功率为42kW，永磁体呈V型分布，定子绕组为单层线圈结构，极对数为4，定子槽数为48。

基于Ansoft的电机仿真分析

【摘要】根据电机原理和结构特点，利用ansoft公司的maxswell系列软件的高精度仿真计算能力，建立电机的仿真模型，对电机性能仿真模拟。最终通过仿真结果来修正部分参数以及参数优化设计，为电机设计提供便利条件。

【关键词】电机性能 仿真模拟 优化设计

【中图分类号】 o44 【文献标识码】a

1引言

设计过程中，为了减少试验次数，降低开发成本，缩短开发周期，提高产品设计质量，设计人员需要一种能对所做的设计进行快速、精确评价分析的工具，而不在仅仅依靠以往积累的知识经验及实验验证[1]。ansoft系列软件高精度计算能力使得仿真结果与实际试验结果具有一致性。本次采用rmprxt和maxwell相结合进行仿真。rmprxt直观的界面能方便的输入定子、转子、和铁芯的几何形状、绕组结构、材料特性和机械负荷类型的电动机专门数据、快速得到在稳态，无负荷，全负荷，额定工况电流、转矩和效率曲线图和参数。同时能自动确定最小几何槽型，为绕组选择合适的线径，能maxwell结合而作为有限元分析的前处理器[2]。将它作为设计人员的工具，可以分析电机固定参数设计的合理性，电机动态过程，电机参数的精确性。设计人员可以快捷地实现“设计-校核-再设计”，为电机设计提供良好的平台。本文对一个三相异步电机建模、仿真，并分析其性能。 2建模与仿真

2.1有限元模型建立

在rmxprt环境下对电机数据输入，并计算。然后利用maxwell并根据计算结果自动生成有限元模型。有限元建模以及计算的步骤如下[3]：

（1）生成有限元模型。

（2）确定电机材料属性。

（3）设立边界条件和外激励条件。

（4）确定动态参量。

（5）设定求解内容。

（6）求解和结果后处理。

输入和计算所得到的电机主要参数如表1所示。

根据计算结果自动生成的电机有限元模型。

2.2基本性能参数仿真结果

建立有限元模型后，根据不同的仿真目标选择计算正确算法，边界条件，外激励条件等内容的选择。这一过程中要确保选择的条件与实际近似，不然结果将出现偏差。本次将以效率、输出功率、输出转矩，综合特性等基本性能作为目标进行模拟计算，并得到各自的特性曲线，分别如图1、2、3、4所示。

2010年第34期（总第169期）NO.34.2010（CumulativetyNO.169）

摘要：利用Ansoft公司的Maxwell2D瞬态模块，建立了在线

启动永磁同步电动机模型，加载激励源，构成一个完整的仿真

系统。通过对电动机的模型瞬态有限元分析，得到了绕组磁

链、转速、转矩和反电势曲线。仿真结果精确地反映了在线启

动永磁电动机启动过程，为永磁同步电动机优化设计、减少转

矩脉动、提高启动转矩提供了理论依据。

关键词：在线启动永磁同步电动机；启动过程；电磁场有限元

法；Ansoft瞬态分析

中图分类号：TM341 文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2010）34-0140-03

在线起动永磁同步电机也是一种典型的永磁同步电动

机，该机与一般普通感应电机一样，在启动过程中也要求具有

一定的起动转矩倍数、起动电流倍数和最小转矩倍数，还要求

其具有足够的牵入同步的能力。由于在线起动永磁同步电机

在转子上安放了永磁体，使得电机交、轴磁路磁导不相等以及

永磁体的存在，给起动过程的计算分析带了困难。若启动绕

组设计不当，即使电机运行性能很好，也可能使机不能牵入同

步运行。因此在线启动永磁同步电机的启动过程比感应电机

复杂，在启动过程中既有平均转矩又有脉动转矩，并且这些转

矩的幅值随电机转速的变化而改变，

在线起动永磁同步电机一般用在要求较高的场合，对电动

机的要求主要体现要求电动机具有高效率、高功率因数、较高

的起动品质因数和单位功率的永磁体用量，所以，正确地确定

电机的主要尺寸、选择永磁材料和转子磁路结构、估算永磁体

尺寸定转子冲片尺寸和绕组数据的选择，对电机的性能有重

大影响。本文应用Ansoft公司的电磁分析软件对电机动过

程进行了仿真，说明有限元磁场分析方法对复杂永磁同步电

机分析的精确性。

1　设计软件分析

随着计算机辅助设计技术的飞速发展，涌现出了许多用

于电磁场有限元数值计算的软件。大多数软件静态场分析较

为完善，所以目前一般是利用有限元软件进行静态分析，优化

图1定子绕组温度分布云图基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析王其锋魏雪环刘勇赵飞（贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550008）摘要：温度场校核的准确性对无刷直流电机的设计至关重要。现从工业实践的角度，运用热路法平台MotorCAD以及有限元分析平台Ansys对无刷直流电机进行了温度场分析，并与样机工作的实际温度进行对比，验证了该模型以及分析方法的有效性和准确性，对后续无刷直流电机的研制具有一定的指导意义。关键词：无刷直流电机；温度场；Ansys；MotorCAD0引言无刷直流电机由于其调速范围广、转矩特性优异以及可靠性强等特点和优势，在生产实践中得到了广泛应用。如何提高无刷直流电机的功率密度一直是业界专家和学者关注的焦点，高功率密度电机研制的瓶颈之一在于温升对电机性能的影响。温升对电机绝缘材料的物理性能、金属材料的机械性能以及永磁体的磁性能均有较大影响，直接关系到电机的寿命和可靠性[1]，因此在设计阶段对电机进行温度场分析至关重要。本文并未过多地关注温度场研究的相关理论，而是从实践的角度，通过样机实测的温升，与方案设计阶段运用MotorCAD以及Ansys软件仿真的结果进行对比分析，验证所建模型和所用方法的准确性和有效性。1损耗分析以一台1.9kW的无刷直流电机为例，额定转矩1.8N·m，额定转速10000r/min，分析该样机额定点的稳态温度场。该样机为典型的无刷直流电机结构，采用自然风冷方式进行冷却。温度场分析的前提在于准确地计算出电机内部的损耗，主要包括定子铁芯损耗、定子铜耗、永磁体涡流损耗和风摩损耗[2]。运用AnsoftMaxwell软件对定子铁芯损耗、永磁体涡流损耗进行仿真计算，得到定子铁芯损耗为26.9W、转子涡流损耗为12.8W。风摩损耗为电机旋转时与空气之间的摩擦以及轴承高速运转时产生的摩擦损耗，取输出功率的0.5%，即9.5W；铜耗为电流流过绕组时绕组发热产生的损耗，通过相电流以及电阻值计算得到铜耗为102.8W。2温度场有限元分析运用Ansys软件对电机进行稳态温度场分析，可以有效地抛开复杂繁琐的微积分变换求解公式，只需准确计算电机的发热损耗，即热源强度、等效导热系数、对流系数等热参数，就可在Ansys热模块中进行求解。基于电机的实际工况以及仿真的可操作性，现对样机的传热方式作如下假设：（1）不考虑热辐射；（2）整个绕组等效为一体，具有相同的导热系数；（3）定子槽内空气层、导线漆膜、浸渍漆、槽楔等绝缘材料等效为一体，具有相同的导热系数；（4）电机轴向的温度梯度为0；（5）定转子间的气隙用等效导热系数的材料代替，这种处理方式与定转子间流动空气的对流换热效果是相同的[3-4]。基于以上假设，根据损耗计算以及电机材料的相关物理参数，将计算得到的导热系数、生热率和对流系数等热参数耦合至电机模型，仿真得到电机各部分的温度分布如图1、图2所示。3温度场热路法分析在MotorCAD中按样机的设计尺寸进行建模，将损耗分析结果输入至热路法仿真模型，温度响应如图3所示。4仿真结果对比分析该样机额定点工作180s后实测的电阻值为0.54赘，30℃下线电阻为0.43赘，通过式（1）可以计算出电机稳态时绕组的温度为97.3℃，实测的机壳温度为82.5℃，如图4所示。R2=R1×[1+0.0038×（T2-T1）]（1）式中，R2为温度为T2时的电阻值；R1为温度为T1时的电阻值；T1、T2为绕组温度。运用Ansys与MotorCAD仿真图2机壳温度分布云图图3热路法仿真结果图4实测机壳温