50 kW CPPM电机磁场的有限元仿真分析

李新华， 陈加伟， 王枥辉

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

50 kW CPPM电机磁场的有限元仿真分析

李新华， 陈加伟， 王枥辉

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

以新能源汽车驱动用50 kW CPPM电机空载磁场计算为例，使用ANSOFT公司的有限元分析软件，分别讨论CPPM电机的二维和三维磁场有限元仿真方法，并对计算结果进行比较和分析，从而得出一些有益的结论。

CPPM电机； 磁场； 有限元仿真； 畸变率； 误差分析

连续极永磁电机(CPPM，Consequent-Pole Permanent-Magnet Machine)是一种特殊结构的混合励磁同步电机，它是通过位于定子侧的直流励磁绕组和转子侧的铁极实现磁场调节的[1-2]。CPPP电机径向磁场和轴向磁场，磁场分布比较复杂，计算也比较困难。然而CPPM电机的磁场分析在其电磁设计中起着重要作用：一是确定CPPM电机的励磁容量并评价其调磁能力；二是设计CPPM电机的轴向磁路结构与尺寸；三是优化CPPM电机的转子结构和气隙磁场波形。因此，准确计算CPPM电机的磁场具有重要意义。

普通电机通常采用二维有限元方法计算磁场。但CPPM电机存在轴向磁场，要用双电机二维等效模型才能进行二维有限元计算[3-4]。二维有限元分析的优点是计算快速，可以节省大量计算时间，加快电机开发进程，不足之处是不能考虑电机的轴向磁路的影响，存在较大的计算误差。为了比较准确地计算CPPM电机的磁场，需采用三维有限元分析方法[5-6]，但对于新能源汽车驱动用CPPM电机，由于功率比较大，模型剖分单元多，三维有限元计算所花机时也长。为了提高CPPM电机的磁场计算效率，通常需要结合二、三维有限元方法进行计算。

本文以新能源汽车驱动用50 kW CPPM同步电机空载磁场分析为例，使用ANSOFT公司的有限元分析软件，分别讨论CPPM电机的二维和三维磁场有限元仿真方法，并对其计算结果进行比较和分析，从而得出一些有益的结论。

1 二维有限元仿真分析

1.1双电机二维等效模型

CPPM电机可用双电机二维等效模型来分析。一台是含永磁极转子的同步电机，另一台为含铁极转子同步电机，励磁绕组等效至转子侧，励磁磁动势方向见文献[4]，双电机二维等效分析模型的轴向长度为CPPM电机定子铁心轴向长度的一半。图1为CPPM电机双电机二维等效分析模型。

图 1 CPPM电机的二维等效分析模型

1.2仿真分析

图1中定子绕组不通电流，永磁极转子模型内置钕铁硼磁钢，永磁极和铁极转子模型等效励磁绕组分别加入直流励磁磁动势为0 AT、1000 AT、2000 AT和-1000 AT。分别对上述四种励磁条件CPPM电机进行二维有限元仿真，得到气隙磁密的仿真波形，见图2-5。表1给出了四种励磁情况下永磁极模型、铁极模型和合成气隙磁场的傅立叶分析结果。从表1数据可以看出：

1)增磁励磁安匝增加时，铁极处基波磁密加大，永磁极处基波磁密略有减小，合成基波磁密增大；去磁励磁安匝增加时，铁极处基波磁密反向增大，永磁极处基波磁密增大，合成基波磁密减小。这表明改变励磁安匝的大小和方向能有效地控制铁极处的基波磁场，进而调节合成基波磁场，但对永磁极处基波磁场也有影响。

2)增磁励磁安匝从0升至1000 AT，合成基波磁密从0.455 T升至0.805 T，上升77%；励磁安匝从1000 AT升至2000 AT，合成基波磁密从0.805 T升至0.975 T，只上升了21%。这表明，随着励磁电流的增大，磁路逐渐趋向饱和，CPPM电机气隙磁场调节能力减弱。

图 2 0 AT气隙磁密及傅立叶分析

(a)永磁极模型

(b)铁极模型图 3 1000 AT气隙磁密及傅立叶分析

(a)永磁极模型

(b)铁极模型图 4 2000 AT气隙磁密及傅立叶分析

(a)永磁极模型

(b)铁极模型图 5 -1000 AT气隙磁密及傅立叶分析

励磁安匝永磁极模型基波/T畸变率/%铁极基波/T畸变率/%合成基波/T畸变率/%0AT0．9109．16000．45518．321000AT0．79015．430．8209．670．80512．162000AT0．67021．971．27010．720．97514．16-1000AT1．11018．69-0．8209．670．14567．65表中负号表示铁极与永磁极磁场方向相反；计算磁场波形畸变率时只考虑了3、5、7次谐波

2 三维有限元仿真分析

为了考虑CPPM电机轴向磁路的影响，下面采用三维有限元仿真方法。建立50 kW CPPM电机的三维有限元分析模型。CPPM电机定子绕组不通电流，转子永磁极内置钕铁硼磁钢，定子侧励磁绕组分别加上0、1000 AT、2000 AT和﹣1000 AT直流磁动势。图6为四种励磁条件下CPPM电机气隙磁场的三维仿真曲面，图7～10为CPPM电机永磁极和铁极处的径向气隙磁密分布曲线，表2为径向气隙磁密的傅立叶分析结果。

(a)0 AT

(b)1000 AT

(c)2000 AT

(d)-100 AT图6 三维仿真结果

(a)永磁极

(b)铁极图 7 0 AT径向气隙磁密及傅立叶分析

(a)永磁极

(b)铁极图 8 1000 AT径向气隙磁密及傅立叶分析

(a)永磁极

(b)铁极图 9 2000 AT径向气隙磁密及傅立叶分析

(a)永磁极

(b)铁极图 10 -1000 AT径向气隙磁密及傅立叶分析

从表2数据可以看出：

1)增磁励磁安匝加大时，铁极处基波磁密增加，永磁极处基波磁密略有减小，合成基波磁密增大，与二维仿真规律相同；去磁励磁安匝增加时，铁极处基波磁密减小，但并未反向，这与二维仿真规律不同，永磁极处基波磁密略有增大，合成基波磁密减小。

2)增磁励磁安匝从0升至1000 AT，合成基波磁密从0.533 T升至0.785 T，上升47%。二维计算时增磁励磁安匝从0升至1000 AT，合成基波磁密从0.455 T升至0.805 T，上升77%，比三维计算结果高出30%。其原因一是零励磁时二维计算铁极处磁密为0，三维计算铁极处磁密为0.217 T；二是考虑轴向磁路影响后1000 AT励磁时三维计算合成磁密为0.785 T，低于二维计算结果(0.805 T)。

3 仿真结果比较

综合表1、表2可得CPPM电机二维和三维空载气隙磁磁场仿真结果比较(表3)。

表2 CPPM电机径向气隙磁密的傅立叶分析结果

表3 CPPM电机二维和三维空载磁场仿真结果比较

从表3可以看出：

1)CPPM电机励磁电流增磁1000 AT时，二维和三维空载磁场仿真结果误差相对较小；0 AT、增磁2000 AT时，铁极区域气隙磁密二维和三维仿真结果误差较大；弱磁-1000 AT时，二维和三维空载磁场仿真结果误差相当大。以上结果说明：二维等效模型比较适合计算CPPM电机增磁、特别增磁磁动势较小，径向磁路不饱和时的磁场；对于弱磁时磁场，由于CPPM电机存在明显的轴向磁场分量，不宜用二维等效模型分析，应选择三维有限元分析方法。

2)从三维仿真结果可知，当励磁安匝变化时，无论是铁极区域，还是永磁极区域气隙磁密的畸变率变化较小，CPPM电机调节励磁时对气隙磁场波形影响较小。普通内置永磁同步电机弱磁时波形畸变率加大，导致铜铁耗增加，效率下降，温升上升，可见，CPPM电机调磁性能明显优于永磁同步电机。

3)根据三维磁场仿真结果，CPPM电机励磁安匝从0增至1000 AT增磁时，合成基波磁密从0.553 T降至0.785 T，增大0.252 T，基波磁场增加了32 %；CPPM电机励磁安匝从-1000 AT降至0 AT弱磁时，合成基波磁密从0.546降至0.533 T，减小0.013 T，基波磁场只减小了2.4 %。这表明CPPM电机增磁调磁能力明显大于弱磁调磁能力；另一方面，该台CPPM电机弱磁调磁效果很差，说明其轴向磁路存在比较严重的饱和现象。

4 结论

CPPM电机磁场有限元仿真结果表明：

1)通过调节励磁安匝来改变铁极区域的气隙磁场，CPPM电机可以实现增磁或弱磁，同时也会对永磁极区域的气隙磁场产生一定的去磁作用；

2)CPPM电机增磁磁通主要走径向磁路，调磁能力较强；弱磁磁通主要走轴向磁路，调磁能力较弱；

3)调节励磁安匝对CPPM电机气隙磁场波形影响较小，气隙磁密畸变率基本不变；

4)CPPM电机增磁时可采用基于双电机二维等效模型的有限元分析方法，但弱磁(包括零励磁)时应选择三维有限元分析方法。

[1] Spooner E, Khatab S A W, Nicolaou N G. Hybrid excitation of AC and DC machines Electrical Machines and Drives[A]. 1989 Fourth International Conference on IET, 1989:48-52.

[2] Tapia J A, Leonardi F, Lipo T A. Consequent pole permanent magnet machine with field weakening capability Electric Machines and Drives Conference[A]. 2001 IEMDC 2001 IEEE International IEEE, 2001:126-131.

[3] Takayuki M, Kazutoshi N, Tadashi A, et al. Basic principles and characteristics of hybrid excitation synchronous machine[J]. Electrical Engineering in Japan, 1996, 117(117): 110-123.

[4] 李新华, 李蓉, 吴小江,等. CPPM混合励磁同步电动机转矩特性计算与分析[A].中国小电机技术研讨会，2011.

[5] Tapia J A, Leonardi F, Lipo T A. Consequent-pole permanent-magnet machine with extended field-weakening capability[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, 39(6):1704-1709.

[6] 李新华, 吴敏华, 刘高翔, 等. CPPM混合励磁风力发电机磁场有限元分析 [J]. 微特电机, 2011, 39(5): 5-7.

[责任编校：张岩芳]

TheFiniteElementSimulationAnalysisof50kWCPPMMotoronMagneticField

LI Xinhua， CHEN Jiawei, WANG Lihui

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering，HubeiUniv.ofTech.，Whuan430068,China)

With both radial and axial magnetic field, the special structure of CPPM motor leads to complex magnetic field distribution, which makes the computation of magnetic field comparatively more difficult. In this paper, based on new energy vehicles driven 50 kW CPPM no-load magnetic field is used to calculate, for example, using finite element analysis software of ANSOFT Corporation, discusses CPPM motor two-and three-dimensional finite element simulation, and the results are compared and analyzed, and draw some useful conclusions.

Consequent-pole permanent-magnet machine；magnetic field；finite element simulation；distortion rate；error analysis

2016-10-31

李新华(1959-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学教授，研究方向为稀土电机研究及控制

1003-4684(2017)05-0077-05

TM301.4

A