永磁体结构对永磁同步电机电磁特性的影响*

王洪涛

(宁德师范学院 物理与电气工程系，福建 宁德 352100)

0 引言

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。与异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测，控制性能好[1-3]。

转子是高速永磁电机的核心部件，转子的永磁体通常选用烧结钕铁硼或钐钴永磁材料。永磁同步电机转子采用永磁体,使得电机内磁场的分布和性质都发生很大的变化,磁场的非线性及饱和度大大增强。同步电机性能的重要因素。

文献[4]对永磁体的摆放方式进行了分析,但未定量研究不同类型、不同转子结构的永磁同步电机的电磁性能。文献[5]研究了永磁体不同充磁方式和螺线管线圈不同通电方式时对永磁弧形导轨电机电磁场的影响。文献[6]从提高输出转矩的角度出发，用序贯非线性规划算法对气隙磁密进行了优化。

目前，国内外学者在永磁体结构优化设计方面开展了大量的研究，但对于具体型号的永磁同步电机，永磁体选用何种摆放方式，以获得较好的电磁特性的研究尚不多见。

本文以TYCX132M系列7.5kW永磁同步电机为研究对象，利用Ansoft/Maxwell有限元分析软件，对具有相同定子结构和参数，转子永磁体采用W型和U型的永磁同步电机进行仿真。首先建立W型和U型的永磁同步电机的二维模型，仿真得到这两种电机在空载和负载情况下的转速、反感应电动势、定子电流和电磁转矩；再建立这两种电机的三维模型，进一步分析永磁同步电机在突然施加额定负载时的定子电流、转速和电磁转矩的变化。对比分析表明，对于该类型永磁同步电机的定子结构和参数而言，转子永磁体采用W型摆放方式的电磁特性优于U型摆放方式的电磁特性。

1 内嵌式永磁同步电机的基本结构和参数

内嵌式永磁同步电机由定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、永磁体、转子导条(起动导条)、机座，端盖等组成，结构图如图1所示。

1.定子铁芯 2.定子绕组 3.转子导条 4.转子铁芯 5.永磁体图1 内嵌式永磁同步电机结构图(W型)

本文以转子4极、定子36槽的7.5kW内嵌式异步起动的TYCX132M系列7.5kW永磁同步电机为研究对象，永磁同步电机结构参数见表1。永磁同步电机的定子采用梨形槽，转子永磁体分别采用W型和U型，着重研究和讨论W型和U型的永磁体结构对电磁参数的影响，因此在Ansoft软件的有限元仿真中，假定转轴不与定子和转子磁场相耦合。

表1 永磁同步电机结构参数

2 Ansoft Maxwell的永磁同步电机二维建模与仿真

Ansoft/Maxwell有限元仿真软件具有功能强大、仿真结果准确、易于操作的，为电机的电磁设计提供准确、方便、高效的仿真设计平台[5-7]。 Ansoft Maxwell根据研究目标的不同，可分为2D和3D电磁场分析，范围包括：静电场、静磁场、时变电场、时变磁场、涡流场、瞬态场计算等。

Ansoft/Maxwell的电磁场仿真分为三个步骤：创建模型、运行求解和后处理。创建模型包括建立分析模型和各部分材料性质的定义；运行计算包括网格划分，定义边界条件和运行计算；后处理包括磁密分布图，磁密矢量图以及所需的电磁参数进行分析和计算[8-11]。

2.1 二维参数化建模和网格剖分

按照Ansoft Maxwell建模步骤和表1中给定的永磁同步电机结构参数，分别建立转子永磁体结构为W型和U型的永磁同步电机二维模型。为了节省计算资源，二维模型均采用1/4模型。

模型的网格剖分是Ansoft Maxwell有限元分析和计算中的重要环节，是电磁场分析的前提和基础。

异步起动的永磁同步电机，在起动时转子永磁体的初始位置对起动性能影响很大，永磁体的位置通常以转子d轴与定子A相绕组轴线对齐的位置为参考轴，为了不失一般性，本文选择永磁体初始位置处于沿参考轴逆时针旋转5°的位置。按照上述步骤建立的W型和U型永磁体结构模型的网格剖分图如图2、图3所示。

图2 W型永磁体二维模型的网格剖分图

图3 U型永磁体二维模型的网格剖分图

2.2 永磁同步电机空载运行时的仿真与分析

网格剖分后，对1/4模型进行计算，仿真时间为400ms，步长取0.2ms，电机内部磁力线分布图，如图4所示。

(a) W型永磁体磁力线分布

(b) U型永磁体磁力线分布图4 永磁同步电机磁力线分布图

将图4a、图4b两图对比可见：W型永磁体端部漏磁通比U型永磁体端部的漏磁通略小。

图5 永磁同步电机转速曲线

由图5可知：永磁同步电机利用转子导条(起动导条)进行异步起动，0～50ms为异步起动阶段(W型)；50～150ms为同步起动的过渡过程，150ms时稳定在同步转速1500r/min，进入了稳定运行状态。对比W型和U型永磁体电机的转速曲线可知：W型永磁体电机异步起动时间约为50ms，比U型永磁体电机异步起动时间40ms略长，但转速最大超调量为1750r/min，比U型永磁体电机的转速最大超调量1850 r/min要小，过渡过程较为平稳。因此，W型永磁体电机的空载转速特性优于U型永磁体电机。

(a) 空载反感应电动势波形(W型)

(b) 空载反电动势波形(U型)图6 永磁同步电机空载反感应电动势

由图6可知：W型和U型永磁同步电机空载时的反感应电动势均为正弦波，在进入稳定运行状态时(150ms后)，W型和U型永磁体在定子绕组中产生的反感应电动势最大幅值分别为310V和350V。

(a) 空载定子电流波形(W型)

(b) 空载定子电流波形(U型)图7 永磁同步电机空载时定子电流

由图7可知：在50～150ms同步起动的过渡过程中，W型永磁同步电机空载电流的最大幅值为60A，而U型永磁同步电机的空载电流最大幅值达到了120A。在同步起动过程中，起动电流过大对永磁同步电机是不利的，从起动电流的角度来看，W型永磁同步电机比U型永磁同步电机起动性能好。

(a) 空载电磁转矩(W型)

(b) 空载电磁转矩(U型)图8 永磁同步电机空载电磁转矩

由图8可知： 0～50ms为异步起动阶段； 150ms后转矩趋于稳定，计算200～400ms内的W型和U型永磁同步电机的平均转矩分别为1.26N·m和1.52N·m。

2.3 永磁同步电机负载运行时的仿真与分析

设定仿真时间为400ms，步长取0.2ms，在0～200ms为空载运行，在200ms时施加47N·m的负载转矩。前文2.2节已分析了W型和U 型永磁体结构电机的空载特性，本节仅讨论施加额定负载转矩(阻转矩)后，永磁同步电机的转速曲线(见图9)和电磁转矩波形曲线(见图10)。

由图9可知：在200ms施加额定负载转矩后，永磁同步电机的转速下降至1250r/min，在300ms时重新恢复到同步转速1500 r/min。W型和U 型永磁体结构永磁同步电机在200ms后的转速曲线基本一致。

图9 永磁同步电机额定负载时转速曲线

(a)转矩曲线(W型)

(b)转矩曲线(U型)图10 永磁同步电机额定负载时的电磁转矩

由图10中两图的共同特点是：在200ms施加额定负载转矩后，电机运行状态发生了突然性的变化，负载转矩增大，迫使电机的电磁转矩随之增大。由于负载转矩为额定转矩，未超出电机的运行极限，因此经过过渡过程后，电磁转矩仍能保持稳定。

对比图10中的两图在300ms后的波形可知：W型永磁同步电机的负载转矩波动幅度较小，U 型永磁体结构永磁同步电机负载转矩波动幅度较大。

通过两种结构的永磁同步电机二维仿真结果对比可知：W型永磁同步电机的空载特性和负载特性均优于U 型永磁体结构永磁同步电机。

3 永磁同步电机三维瞬态场的仿真与分析

三维模型的仿真经过创建模型、设置边界条件，添加激励源，求解和数据处理五个步骤。为了方便与二维模型仿真结果相对比，三维模型中的参数设置与二维模型参数一致。由于三维模型的计算量较大，为了节约计算资源，本文对三维模型分析设置仿真时间400ms，步长为2ms(二维仿真时步长设置为0.2ms)。图11为永磁同步电机三维模型的磁通密度分布图。

(a) 磁通密度分布图(W型)

(b) 磁通密度分布图(U型)图11 永磁同步电机三维模型磁通密度分布图

对永磁同步电机三维模型添加额定电压为380V的电压激励，并200ms时施加47N·m的负载转矩，仿真得到的定子A相电流波形图如图12所示。对比W型和U型永磁体定子电流波形图可知：在0～200ms的空载运行阶段，W型永磁体电机的定子电流衰减速度快，U型永磁体电机的定子电流衰减速度慢；在200～400ms的负载运行阶段，W型永磁体电机比U型永磁体电机的定子电流波形畸变大，再分别利用最后10个周期内的电流数据计算出W型和U型永磁体电机定子电流的有效值为12.98A和12.64A，二者相差不大。

仿真得到的永磁同步电机转速曲线如图13所示，由图13可知：在200ms时施加负载转矩后，W型永磁体电机和U型永磁体电机的转速分别在300ms和350ms时恢复到同步速1500r/min，W型永磁体电机的转速曲线较为平稳。

图12 永磁同步电机定子A相电流波形图 图13 永磁同步电机转速曲线

图14为永磁同步电机的电磁转矩波形图，对比图中两条转矩曲线可知：在200ms施加负载转矩后，W型永磁体电机的电磁转矩曲线较为平稳，而U型永磁体电机的电磁转矩变化较大，在350ms后趋于稳定。

图14 永磁同步电机电磁转矩

综合第2、3节的仿真分析可知：在永磁同步电机定子铁芯和绕组的结构、参数完全相同的条件下，转子内嵌永磁体的结构对永磁同步电机的电磁参数影响大。具体而言，在二维模型下空载运行时W型比U型永磁同步电机的起动电流小，转速超调小、电磁转矩波动小；在突然施加负载后，W型比U型的永磁同步电机的电磁转矩波动小，转速曲线基本一致。在三维模型负载运行情况下，W型比U型永磁同步电机定子电

流有效值略大、波形畸变大，而转速恢复到同步速的时间短、电磁转矩波动小。

综合比较而言，在该类定子结构参数的情况下，转子内嵌W型永磁体比U型永磁同步电机的电磁性能更优。

4 结论

以TYCX132M系列7.5kW永磁同步电机(自起动)为研究对象，详细对比了永磁体分别为W型和U型结构时，在空载和负载运行情况下，永磁同步电机的转速、反感应电动势、定子电流和电磁转矩。通过对比分析得出以下结论：

(1)空载运行时，W型比U型永磁同步电机的起动速度快、起动电流小、起动转矩平稳。电机在空载起动的场合下，宜优先考虑选用W型永磁同步电机。

(2)突然施加额定负载时，W型比U型永磁同步电机的定子电流有效值略大(大0.34A)，但转速恢复的时间短，电磁转矩波动小。若电机应用于带负载起动的场合，且对起动后的转速和转矩要求不高时，选用U型永磁同步电机较为适宜。

(3)一般情况下，若对该型号永磁同步电机的应用场合无特殊要求时，永磁体选用W型比U型结构的永磁同步电机的电磁性能更优。

[参考文献]

[1] 蒋继云．永磁同步电机控制[J].科技视界，2008(3)：349-353．

[2] 李绿山，张博利．稀土永磁电机应用现状与发展[J]．机电产品开发与创新，2013，46(2)：17-21．

[3] 赖文海，黄开胜，陈文敏，等．基于 Maxwell 的整数槽永磁同步电动机分析与设计[J]．微特电机，2015，43(7)：49-51．

[4] Trumper D L, Willianms M E, Nguyen T H. Magnet arrays for synchronous machines[A]. Proceedings of the IEEE IAS 28th Annual Meeting [C]. New York, 1993:9-18.

[5] 王昆，张弓，刘强．基于 Ansoft/Maxwell 新颖电机三维有限元优化分析[J]．组合机床与自动化加工技术，2014(5)：58-61．

[6] 金友华，王宏伟．基于 Ansoft 优化永磁同步电机气隙磁密[J]．微特电机，2013，46(12)：84-87．

[7] 刘伟，佟强．基于电磁-热耦合有限元分析的永磁调速器性能研究[J]．组合机床与自动化加工技术，2016(1)：4-9．

[8] 王大江，童亮，李竹芳，等．嵌入式直驱力矩电机设计及其系统仿真分析[J]．组合机床与自动化加工技术，2015(3)：78-82．

[9] 余莉，刘晓青，谢红飞，等．飞轮储能用高速永磁无刷直流电机的设计[J]．组合机床与自动化加工技术，2015(2)：47-54．

[10] 梅凡，谢宝昌，高强，等．永磁电机分析的场路耦合时步有限元法[J]．电机与控制应用，2012，39(9)： 5-9．

[11] 关栋，杨小辉，刘更，等．高速永磁电机转子系统临界转速仿真研究[J]． 微特电机，2013，41(2)： 5-8．