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基于Ansoft的永磁同步电机不平衡电磁力分析

作者：张小波;卢素华

来源：《价值工程》2010年第15期

摘要:与传统电机不同,永磁同步电机中永磁体产生的电磁力对电机中各个部件产生很大的影响。本文运用Ansoft仿真软件对永磁同步电动机在充磁瞬间、充磁后静态及正常运转各状态下,电机定转子偏心时,各部件所受电磁力的情况进行比较。仿真结果表明,永磁同步电机中定转子偏心对电机某些部件影响非常大。

Abstract: Different from traditional motor,the electromagnetic force that magnet induces in magnet permanent synchronous motor (PMSM) has a huge impact on various components. In this paper,PMSM under different conditions were analyzed by using Ansoft software,comparing the electromagnetic force caused by permanent magnet when the stator and rotor is eccentric or not eccentric. The simulated result showed that the stator and rotor eccentricity in PMSM have great effects on some parts of the motor. 关键词:永磁电机;仿真;电磁力;偏心

Key words: permanent magnet motor;simulation;eccentricity;unbalanced force 中图分类号:TM30 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0221-02 0引言

永磁同步电机具有效率高、转动惯量小、控制方便、控制精度高等优点,在自动控制、航空航天、汽车工业和家用电器等领域都得到了越来越广泛的应用。在永磁同步电动机中,电机转子旋转时永磁体产生的磁场与定子的旋转磁场交链,产生电磁转矩,从而使永磁体取代了普通永磁同步电机中励磁绕组的作用,电机结构被大大简化。同时永磁体的存在也引起了一系列的问题,比如齿槽力矩、装配困难等。

为了克服永磁体装配困难的问题,在中小型永磁同步电机中基本都采用先装配永磁体后充磁的方式。但是在充磁过程中由于在定子绕组中所施加的电流非常大,从而会产生很大的瞬时力,这可能会引起定转子局部变形及同轴度降低,进而造成电机性能和噪声的恶化。

本文针对永磁体在电机中所处不同状态,用Ansoft软件的Maxwell 2D模块对电机中同轴度降低引起的电磁力变化情况进行了分析。

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1原理

Maxwell 2D使用虚功原理来计算电磁力,考虑n个回路组成的系统,假定其中某一回路在磁场力的作用下出现位移ds,并且系统中各回路磁链变化为ds,并且系统中各回路磁链变化为dψi,则外电源所做功等于系统储能的增加与磁场力做功之和 dW=dWm+Fds

其中,电源做功用于抵抗磁链变化产生的感生电动势,它所提供的能量为 dW=Iidt=Iidψi

系统所具有的总磁场能量为 Wm=Iiψi

系统储能的增量为 dWm=Iidψi+ψidIi

Maxwell 2D假定系统电流保持不变,则有dIi=0,从而有 dWm=Iidψi=dW 则有 Fds=dWm 进而有 F=|i=const

在这种情况下,电源能量的一半提供给系统储能,另一半用来做机械功。 在图1中,作用在平板上的力沿着虚位移s的方向,有 Fplate=|i=const=B?dHdV 2仿真分析

在永磁同步电机中可以通过三种情况来讨论永磁体的存在对电机中电磁力大小的影响:

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①由于现在的中小型电机中为了使装配更加方便,都采用把未充磁的磁钢先装配好然后进行充磁,及充磁过程中的受力情况。

②充磁完成后电机处于静止状态下的受力情况。 ③当电机在额定状况下正常运转时的受力情况。

本文仿真选用的永磁同步电机是某型号的压缩机中使用的电机。 电机的主要参数见表1。

图2是根据实际参数在Maxwell 2D中建立的仿真模型。 2.1 充磁时受力情况分析

在生产线上进行永磁体充磁的实际情况是在绕组上加一个很大的脉冲激励从C相流进B相流出,固定转子位置(与图2相同)。

仿真时定、转子的同轴度不良度(偏心量)可以通过在模型中使定子和绕组同时在X方向上移动一个偏心量来模拟(由仿真知当偏心的方向不同时结果差异不大)。

在Magnetostatic求解器中,根据实际情况,在C相加一个(700*35A.T),B相加一个(-700*35A.T)的电流,边界条件设置为狄里克莱边界,把求解误差设置为0.5%。

图3表示了定子、转子、每相绕组以及把所有磁钢看做整体时所受电磁力随偏心量变化趋势。

从整体上看来,定子和转子所受的力应该平衡,所以随着偏心量的增加,定子和转子所受电磁力的变化趋势和大小应该差不多(如图3)。

B、C两相绕组所受电磁力也随偏心量的增加而增大。而磁钢和未加电流的A相绕组所受电磁力很小,变化也不明显。

考虑到对于某些部件的整体受力情况分析没有太大意义,所以接下来分析了电机中单个部件的受力情况。

coilB1和coilC1表示B相和C相绕组中受力最大的半个元件(图2中一个槽内表示的部分)。由图所示,计算出的电磁力结果明显较大,这主要是因为绕组中所通电流非常大,在磁场中就会产生很强的安培力,所以在充磁时很容易出现线圈变形的现象。