基于Ansoft的车用永磁同步电机电磁场仿真

摘 要：随着新能源汽车的发展，永磁同步电机得到了广泛应用。由于其磁场空间分布的复杂性，往往在电机结构设计阶段带来较大的困难，本文基于Ansoft软件提出一种永磁同步电机有限元模型进行电磁场仿真方法，准确计算电机的主要性能和参数，为电机优化设计提供可靠依据。

关键词：永磁同步电机；Ansoft；电磁场仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.242

0 引言

在永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）产品设计验证阶段，通过有限元仿真的方式来分析电机电磁场仿真结果，能有效的的替代繁琐耗时的实验分析，为产品的设计和优化提供可靠的依据。作为电机电磁场有限元仿真软件之一的Ansoft/Maxwell基于是麦克斯韦微分理论，通过将有限元划分成离散空间分布，将电磁场的求解计算转变为数学形式上的矩阵求解，提高电机有限元仿真的准确性，除此之外，其拥有丰富的参数设计和仿真功能，在永磁同步电机设计中应用广泛。

本文以车用的电驱动系统中永磁同步电机作为研究对象，通过建立有限元模型，进行有限元电磁场仿真，从而获取电机运行时的转矩、电流、功率特性以及电感等结果，为优化设计提供可靠依据。

1 基于Ansoft的PMSM有限元模型建立

建立准确的PMSM有限元仿真模型是对电机准确电磁场分析的关键。在PMSM有限元模型的设计中，将定子尺寸通过Ansoft/Maxwell软件中RMxprt参数化模块生成定子模型和绕组方式。转子部分则通过AutoCAD画出并导入到Ansoft/Maxwell中，然后分别设定相应的面域和材料属性，并设定永磁体的磁场方向，通过网格划分完成模型的建立。

2 基于Ansoft的PMSM有限元电磁场仿真

在建立完成PMSM有限元模型后，采用三相对称正弦电流激励的方式，在稳态工况下，完成PMSM有限元模型的基本电磁场仿真。为保证设定的A、B、C三相激励电流为对称正弦，则三相电流的相位相差120°，且三相电流的频率相同且与电角频率相一致，从而使定子电流产生的电枢磁场与永磁体产生的励磁磁场保持稳态的同步旋转速度。

根据电机运行的周期性，设定仿真时间为一个电周期，即10ms，考虑到仿真的时间的长短，设仿真步长为0.05ms。那么在一个仿真周期内，可以得到201电角度下的基本电磁场仿真结果。图2～图3所示为电磁转矩、三相电流和三相反电动势在一个电周期内变化的电磁场仿真结果。

图1所示为稳态电流激励下所产生的的轉矩，在该工作点下，平均转矩为34.2Nm，转矩的波动为±3.1Nm，在一个电角度周期内，转矩包含6次和12磁谐波。

在实际的电机设计中，还需要考虑电机在整个工况下的效率情况以及不同工况下其对应的磁场参数变化情况。通过Ansoft＼Maxwell中的UDO（User Defined Outputs）和Toolkits这两个插件可进行永磁同步电机外特性曲线，功率MAP图和电流电感曲线的分析。图2和图3所示为电机功率MAP图和电流-电感图。

图2直观的显示永磁同步电机在不同工况下，其运行的功率特性，从图中可以看出，当电机运行在转矩为30Nm和转速为7768rpm附近的工作区域时，电机的工作效率最高，达到93.3%，在低速大扭矩和高速小扭矩工况下，电机的工作效率最低。同时该电机的基速为7768rpm，电机的最高转矩为100Nm。当电机转速小于基速时，电机运行在恒转矩区域，当电机转速大于基速时，电机运行在恒功率区域。

图3所示为dq轴电感随相电流的变化情况。当相电流为50A时，电机处于轻度磁饱和中，d轴电感和q轴电感分别为197uH和520uH，当相电流为400A时，dq轴电感减少为160uH和300uH。当电机定子电流增加时，电机整个磁路处于非线性饱和区，磁导率下降，d轴电感减少，同理，q轴电感也会减少，由于PMSM为内嵌式电机，交直磁阻不相等，由于q磁阻较小，受到磁饱和的影响更严重，所以q轴电感减小更快。

4 结语

通过使用Ansoft软件及其UDO和Toolkits这两个插件可准确的获得永磁同步电机仿真过程中转矩、电感和反电动势等电磁参数，同时还可分析电机整个工况下的功率MAP图和MTPA曲线。这一方法为电机的结构设计和控制提供了可靠的依据，有效节省了前期电机开发的时间。

参考文献：

[1]李周清.基于Ansoft的永磁同步电机建模与仿真[J].机电工程技术，2012（04）：35-39.

[2]秦新燕，肖鹏程.基于Ansoft的电机设计及瞬态分析[J].湖北第二师范学院学报，2011（02）：89-92.

[3]刘慧娟.Ansoft Maxwell 13电机电磁场实例分析[M].北京：国防工业出版社，2014.

作者简介：周英坤（1993-），广西南宁人，硕士研究生，研究方向：新能源汽车电驱动系统建模及控制。