CN104899382A - 基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对分数槽永磁同步电机永磁体的优化设计，提出一种基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法。其特征是建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机模型，利用Magnetostatic求解器完成求解。在后处理中求解气隙磁密、外磁路各段的磁场强度和极间漏磁，建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机端部模型求取电机端部漏磁。利用得到数据即可求取永磁体空载工作点。本文方法能分析不同磁路结构和饱和情况下，漏磁系数、磁密和磁场强度等参数的非线性对永磁体工作点的影响，且无需繁琐的迭代过程和大量的经验系数，利用Ansoft Maxwell强大的后处理功能得到关键数据，经简单的计算即可完成永磁体空载工作点的求取。

Description

基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机优化设计领域，具体针对分数槽永磁同步电机永磁体的优化设计，提出一种基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法，用以检查永磁电机设计的合理性和调整磁路设计，为进一步求取负载工作点和最大去磁工作点奠定基础。

背景技术

永磁电机常用的永磁材料有铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼。钕铁硼永磁材料由于资源丰富、价格便宜且具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积等优点，在工业和民用的永磁电机中被广泛应用。但钕铁硼永磁材料居里温度较低，温度系数较高，磁性能稳定性较差，一般的钕铁硼永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要发生弯曲。因此，在设计永磁电机时，需对永磁体的工作点校核，并用以检查永磁电机设计的合理性和调整磁路设计。为避免发生不可逆退磁，保证永磁电机的可靠性，还需校核永磁体的最大去磁工作点。

现在常用的求取永磁体工作点的方法有工作图法和解析法。工作图法需先确定最大去磁磁动势和回复磁导率，空载工作点的求解常采用对分法迭代求解非线性方程组，当迭代点满足一定精度时，则认为求解成功。解析法在磁路不饱和或饱和程度不高时认为主磁导、漏磁到为常数，通过求取永磁电机的等效磁路得到永磁体工作点。由于磁路法复杂性和饱和性，求取永磁体工作点的关键参数通常无法准确求解，在得到这些关键参数时需要大量的实验数据和曲线，并引入了大量的经验系数等，对于无丰富经验的永磁电机设计研发人员求取永磁体工作点有一定难度。本发明提出一种基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法，为进一步求取负载工作点和最大去磁工作点奠定基础。

发明内容

本发明的目的是针对分数槽永磁同步电机永磁体的优化设计，提出一种基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法。用以检查永磁电机设计的合理性、调整磁路设计，为进一步求取负载工作点和最大去磁工作点奠定基础。在永磁电机中永磁体向外磁路提供的磁动势和磁通分别等于外磁路上的磁动势和磁通，永磁体工作点取决于永磁体的特性和外磁路的特性。永磁体的特性由矫顽力和剩磁密度描述，外磁路的特性由磁位差和气隙磁密描述。因此，求取永磁体空载工作点的原理是根据永磁体的特性求取磁导基值，根据外磁路的尺寸和材质的磁化特性求取外磁路漏磁系数、气隙磁密和各段的磁位差，计算外磁路总磁导，即可求取永磁体的空载工作点。

为达此目的，本发明技术方案如下：

第一步，建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机模型，利用Magnetostatic求解器完成求解；

第二步，在一磁极下画弧线，弧长等于极距。求取弧线上的气隙磁密，用线积分求得每极磁通；

第三步，根据磁力线走向在气隙、定子齿和轭部、转子轭部画线，分别求每段各点的磁场强度H_i，用线积分求得每段的磁位差；

第四步，磁矢位法求取极间漏磁；

第五步，建立电机Ansoft Maxwell 2D端部模型，利用Magnetostatic求解器完成求解。磁矢位法求取端部漏磁。进而求得空载漏磁系数；

第六步，计算永磁体空载工作点。

本发明的有益效果：对比传统的迭代求取永磁体空载工作点的方法，本方法省去了繁琐的迭代过程，可一次精确的求取永磁体工作点。通过积分法和工作点法求取的气隙磁密误差在1％以内，求取的反电势和制作样机实测反电势误差在5％以内。无需引入大量的经验系数，对于无丰富经验的永磁电机设计研发人员更易于理解和操作。通常永磁电机的磁路复杂、饱和程度不同，本方法可分析不同磁路饱和情况下，漏磁系数、磁密和磁场强度等参数非线性对永磁体工作点的影响。在电机设计初期，电机的几何尺寸、绕组匝数线规等参数是无法准确的给出的，总是经过反复计算、多方案的比较之后才能将其主要尺寸定下。本方法可利用Ansoft Maxwell强大的参数化分析和优化设计功能方便快捷的分析电机参数和结构变化对漏磁系数、气隙磁密和磁通、永磁体工作点等的影响，为方案确定和优化设计提供依据。

附图说明

图1永磁电机1/4截面图；

图2永磁电机1/2端部模型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明的目的：针对分数槽永磁同步电机永磁体的优化设计，提出一种基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法。用以检查永磁电机设计的合理性调整磁路设计，为进一步求取负载工作点和最大去磁工作点奠定基础。其无需繁琐的迭代过程和大量的经验系数，利用Ansoft Maxwell强大的后处理功能得到关键数据，经简单计算即可完成永磁体空载工作点的求取，且可分析不同磁路结构和饱和情况下，漏磁系数、磁密和磁场强度等参数的非线性对永磁体工作点的影响。

本发明的基本思路：建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机模型，利用Magnetostatic求解器完成求解。在一磁极下画弧长等于极距弧线，求取弧线上的气隙磁密，用线积分法求得每极磁通。根据磁力线走向在气隙、定子齿和轭部、转子轭部画线，分别求每段弧线各点的磁场强度H_i，用线积分求得每段的磁位差。在同一模型中用磁矢位法求取极间漏磁。建立电机Ansoft Maxwell 2D端部模型，利用Magnetostatic求解器完成求解。磁矢位法求取端部漏磁，进而求取空载漏磁系数。经简单的计算即可求取永磁体空载工作点。

附图1为永磁电机1/4截面图；

附图2为永磁电机1/2端部模型。

进一步，具体实现步骤为：

步骤一，建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机模型，利用Magnetostatic求解器完成求解；

步骤二，在一极下画弧线，弧长等于极距，如图1中黑色实线。求取弧线上的气隙磁密，用线积分求得每极磁通。在Ansoft Maxwell 2D中将弧离散为1000等分段进行求解。则每极磁通：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{\δ}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)*\mathrm{\Δ\τ}*L=\frac{\mathrm{\τ}}{n}*L*\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=\mathrm{\τ}*L*\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{n}=\mathrm{\τ}*L*B_{\mathrm{\δav}}$

其中，n＝1000，τ为极距，Δτ＝τ/n，L为铁心长度，B_δ(i)为弧线某点的气隙磁密，B_δav为气隙磁密平均值，可直接由Ansoft Maxwell后处理得到；

步骤三，根据磁力线走向在气隙、定子齿和轭部、转子轭部画线，分别为图1中曲线1、2、3，求每段各点的磁场强度H_i，用线积分求得每段的磁位差；

$F_i=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(j\right)*\mathrm{\Δ}{l}_i=\frac{l_i}{n}*\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(j\right)=l_i*\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(j\right)}{n}=l_i*H_{\mathrm{iav}}$

其中，H_i(j)为j点的磁场强度，Δl_i＝l_i/n，l_i为曲线i的长度，H_iav为曲线i磁场强度的均值，可直接由Ansoft Maxwell后处理得到。

步骤四，磁矢位法求取极间漏磁。如图1所示，点A、B为永磁体内圆弧端点，C、D为圆心与相邻磁极中点延长线和定子内圆的交点。极间漏磁：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{|A_A-A_B|}{|A_C-A_D|}$

其中，A_A、A_B、A_C、A_D分别为A、B、C、D点的矢量磁位值，可直接由Ansoft Maxwell后处理得到；

步骤五，建立永磁电机建立Ansoft Maxwell 2D端部模型如图2所示，利用Magnetostatic求解器完成求解。在图2中，边AB为电机中心端面，边BC为转子铁心内径，边DC为电机端盖，E、F点为永磁体的端点，H为绕组端点。磁矢位法求取端部漏磁：

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{|A_E-A_F|}{|A_G-A_H|}$

其中，A_E、A_F、A_G、A_H分别为E、F、G、H点的矢量磁位值，可直接由Ansoft Maxwell后处理得到；

空载漏磁系数：

σ₀＝σ₁+σ₂-1

步骤六，计算永磁体空载工作点。

外磁路总磁位差：

∑F＝F₁+F₂+F₃

主磁导：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{\δ}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{\δ}}}{\mathrm{\ΣF}}$

主磁导标幺值：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\δ}}={\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{\δ}}\frac{h_M}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{A}_m}$

其中，h_M、μ₀、μ_r、A_m分别为永磁体磁化方向长度、真空磁导率、永磁体相对磁导率、每极永磁体提供磁通的有效面积。

漏磁导：

Λ_σ＝(σ₀-1)Λ_δ

漏磁导标幺值：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\σ}}={\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{\σ}}\frac{h_M}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{A}_m}$

外磁路总磁导标幺值：

λ_n＝λ_δ+λ_σ

永磁体工作点：

$b_{m0}=\frac{{\mathrm{\λ}}_n}{{\mathrm{\λ}}_n+1}$

$h_{m0}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_n+1}$

Claims (3)

1.本发明针对分数槽永磁同步电机永磁体的优化设计，提出一种基于AnsoftMaxwell求取永磁体空载工作点的方法；其特征是建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机模型，利用Magnetostatic求解器完成求解；在后处理中求解气隙磁密、外磁路各段的磁场强度和极间漏磁，建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机端部模型求取电机端部漏磁；利用得到数据即可求取永磁体空载工作点；本文方法能分析不同磁路结构和饱和情况下，漏磁系数、磁密和磁场强度等参数的非线性对永磁体工作点的影响，且无需繁琐的迭代过程和大量的经验系数，利用AnsoftMaxwell强大的后处理功能得到关键参数，经简单的计算即可完成永磁体空载工作点的求取；可利用Ansoft Maxwell强大的参数化分析和优化设计功能方便快捷的分析电机参数和结构变化对漏磁系数、气隙磁密和磁通、永磁体工作点等的影响，为方案确定和优化设计提供依据；包括以下几步骤：

(1)建立Ansoft Maxwell 2D永磁电机模型，利用Magnetostatic求解器完成求解；

(2)在一磁极下画弧线，弧长等于极距。求取弧线上的气隙磁密，用线积分求得每极磁通；

(3)根据磁力线走向在气隙、定子齿和轭部、转子轭部画线，分别求每段各点的磁场强度H_i，用线积分求得每段的磁位差；

(4)磁矢位法求取极间漏磁；

(5)建立电机Ansoft Maxwell 2D端部模型，利用Magnetostatic求解器完成求解；磁矢位法求取端部漏磁；进而求取空载漏磁系数；

(6)计算永磁体空载工作点。

2.根据权利要求1中步骤(1)、(2)所述每极磁通求取方法，其特征是：利用Magnetostatic求解器完成求解后，在一极下画一弧长等于极距弧线，后处理求取弧线上的气隙磁密，用线积分求得每极磁通；

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{\δ}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)*\mathrm{\Δ\τ}*L=\frac{\mathrm{\τ}}{n}*L*\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)=\mathrm{\τ}*L*\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{\δ}}\left(i\right)}{n}=\mathrm{\τ}*L*B_{\mathrm{\δav}}$

其中，n＝1000，τ为极距，Δτ＝τ/n，L为铁心长度，B_δ(n)为弧线某点的气隙磁密，B_δav为平均气隙磁密，可直接由Ansoft Maxwell后处理得到。

3.根据权利要求1中步骤(3)所述外磁路磁位差求取方法，其特征是：根据磁力线走向在气隙、定子齿和轭部、转子轭部画线，分别求每段各点的磁场强度，用线积分求得每段的磁位差；

$F_i=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(j\right)*{\mathrm{\Δl}}_i=\frac{l_i}{n}*\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(j\right)=l_i*\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(j\right)}{n}=l_i*H_{\mathrm{iav}}$

其中，H_i(j)为j点的磁场强度，Δl_i＝l_i/n，l_i为曲线i的长度，H_iav为曲线i磁场强度的均值，可直接由Ansoft Maxwell后处理得到。