基于Ansoft的永磁同步电机退磁仿真分析

2021-07-19肖胜宇高明世

日用电器 2021年6期

肖胜宇高明世张凯

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519070）

引言

在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，保持其正常的运行状态有多项指标需要进行评估，其中永磁体退磁是一个重要的指标[1]。为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。当永磁同步电机中绕组通入过大的运行电流或者发生定转子失步有较大的定位电流时，转子永磁体就会发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，其性能将会发生不同程度的下降，进而影响到压缩机的性能[3]。因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。

目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降3 %为限定标准。但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低3 %为限定标准。以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用Ansoft的退磁仿真功能，本文对Ansoft的退磁仿真功能进行了研究。

1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真

1.1 基本设置

1.1.1 电机退磁仿真工况

本次研究Ansoft退磁仿真方法主要目的为摸索Ansoft软件中设置退磁仿真时的一些基本设定和注意事项。电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照3 %磁链降低为界限限定[3]。预计按照此种工况将软件的设定和注意事项熟悉之后，再按照实际测试工况建立仿真模型，并对比和修正仿真与测试数据趋向于一致。

1.1.2 Ansoft软件退磁仿真设置

1）按照正常电机性能仿真建立仿真模型，例如转速任意设定，初始角度、三相电流、弱磁角度等按照性能仿真设定，仿真时长按照一个电周期，仿真步长和网格剖分根据需求设定。

2）电机模型材料按照性能仿真正常设定，永磁体材料按照退磁测试温度下的B-H曲线给定，最好包括第二、三象限的数据，例如图1的设置。之后按照图2中的设置步骤打开退磁膝点计算。

图1 退磁仿真材料B-H示例

3）使用初始模型仿真空载电机磁链和反电势并记录以作对比，随后修改绕组电流为退磁电流并仿真获取永磁体的运行状态数据（不用专门计算，完成仿真即已经自动存储）。

4）复制一份初始模型，并将图 2中的退磁膝点计算关闭，设置为No operating points computation。

图2 打开退磁膝点计算

5）按照如下步骤调用初始模型的永磁体运行状态数据，计算在受到退磁运行电流后的永磁体回复后在空载状态下的电机磁链和反电势。

在模型界面不选中任何元素的条件下，如图3中添加永磁体场激励。

图3 添加永磁体激励

如图4中调用的模式设置为退磁，并链接初始模型的场数据。

图4 退磁模式设置

6）设置绕组电流为零，仿真永磁体回复后的空载磁链和反电势，对比退磁前的空载反电势和磁链并计算退磁率。

1.2 评估仿真分析与实测结果的一致性与差异性

采用任何的仿真方法分析仿真模型并与实际模型进行对比分析时，两者存在差异性都是很正常的现象，根据对两种模型的认识进行相应的修正，尽可能的使两种模型达成一致的效果，并了解清楚两者之间的对应规律即可。此处针对仿真模型与实际模型结果的差异性可以从以下几个方面进行分析：

1）搭建的仿真物理模型与实际物理模型是否尽可能的一致，例如2D和3D的区别。两个模型的差异性对结果的影响是否影响了最终结果的精度，模型的差异性导致结果的偏离是否在可以接受的范围内。

2）仿真模型所采用的材料属性是否尽可能与实际一致，是否存在一定的评估手段和指标使仿真模型的材料尽可能的与实际模型的材料取向于一致。

3）仿真模型的运行工况是否与实际测试工况一致，两者是否可以尽可能的趋向于一致以减少两者之间的误差。

4）仿真方法本身是否存在误差或者不合理的地方，是否存在一定的评估指标和手段对仿真运行工况进行分析和判断。

5）针对某一款机型仿真模型与实测模型两者的结果能够形成完整的对应关系，是否可以推广到其他机型，如果不可以推广到其他机型，不同机型之间的修正规律是否可以研究。

2 切向式永磁同步电机退磁仿真分析

本次研究中以切向式永磁同步电机的抗退磁能力为分析对象，对此种退磁仿真分析方法进行了初步研究，并修正了仿真模型与实测数据的一致性。

2.1 仿真分析电机方案

本次共对两个电机方案进行了仿真分析，均为12S10P电机方案；如图5、图6所示，方案一为一种内置隔磁衬套转子结构，方案二为一种一体式隔磁桥转子结构。

图5 方案一

图6 方案二

修正永磁体B-H曲线，使方案一仿真结果与实际测试结果趋近，并将方法应用于方案二对比仿真与实际测试结果。

2.2 仿真分析结果与实际测试结果对比

对于两种电机方案的仿真分析结果与实际测试退磁率（见表1）。

表1 两种方案退磁仿真与实测对比

对比实验测试与仿真分析结果，两者之间仍然存在些许的差异性，其中的原因和进一步的准确性修正仍然需要深入研究和分析。

3 存在的问题与研究思路

1）仿真过程中可以通过观察永磁体上取样曲线的B-H值来对永磁体的工作点进行初步判断，观察过程中发现有时永磁体的工作点并未移动到B-H退磁曲线拐点处（如图7），但是回复曲线却已经是发生了退磁后的回复，究竟是仿真误差导致还是B-H曲线的问题需要进一步分析。

图7 发生退磁前后B-H曲线

导致以上现象的原因可能为取了线段上的平均值，可以改用取样元素为点来判断取样元素的实际B-H运行曲线是否为给定的B-H曲线。

2）模型中建立相关参数（如电流、叠高、转速等）对于仿真方法是否有影响，是否对仿真结果有影响，需要进一步的判断分析，本次研究中并未建立任何参数，如果建立参数则需要在第二个模型中进行两个模型参数匹配，可能会导致误差。

3）本次仿真方法研究中，每次仿真回复模型都需要重新复制退磁模型生成，该过程能否省略需要进一步的研究分析。

4）永磁体参数对于评估仿真准确性问题，即使对于同一款电机方案，例如切向式电机方案，在修整好永磁体B-H曲线时，当调整叠高时都需要有可能需要对B-H参数进行重新修正，本次研究中以12S8P有隔磁桥转子电机方案为例，对沿纵轴方向调整永磁体B-H曲线造成的电机方案抗退磁能力的影响进行了研究，分析数据如表2。