基于Ansoft的永磁同步电动机设计与仿真.pdf
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第53卷第5期Vol.53No.52015年5月May2015农业装备与车辆工程AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERINGdoi:
10.3969/j.issn.1673-3142.2015.05.011基于Ansoft的永磁同步电动机设计与仿真尤迪,张学义(255049山东省淄博市山东理工大学)摘要根据永磁同步电动机的额定数据,对电机的转子、定子及气隙进行设计计算;然后运用Ansoft软件对所设计的电机进行建模,仿真求解电机在空载和稳态下的感应电动势、齿槽转矩、转矩、感应电流,最后运用仿真结果计算电机的直轴和交轴电感,通过仿真结果校核电机性能是否达标。
关键词结构设计;仿真分析;计算电感中图分类号TM341;TM351文献标识码A文章编号1673-3142(2015)05-0047-04DesignandSimulationofPermanent-MagnetSynchronousMotorBasedonAnsoftYouDi,ZhangXueyi(ShandongUniversityofTechnology,ZiboCity,ShandongProvince255049,China)AbstractBasedontherateddataofpermanentmagnetsynchronousmotor,themotorrotor,statorandairgaparedesignedandcalculated;then,amodelforthedesignedmotorisestablishedusingAnsoft,asimulationismadetosolvetheinducedEMF,coggingtorque,torqueandinducedcurrentofthemotorwhenitisnoloadandinsteadystate.Finally,thedirectandquadratureaxisinductanceofthemotoriscalculatedusingtheresultofthesimulation,themotorperformancewhetheraccordingwiththestandardischecked.Keywordsstructuredesign;simulationanalysis;calculationofinductance0引言稀土永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高,近年来得到迅速发展,被广泛应用于汽车、航空航天等领域1-2。
由于不同用途对电机的结构和性能要求也不尽相同,因此根据要求设计出合理的电机结构及尺寸十分必要。
1电机结构设计电动机的额定数据如表1所示,根据电动机的技术要求可以大体确定电动机的结构和尺寸。
1.1转子结构形式确定根据永磁体在转子中的放置形式,一般可以将稀土永磁电动机分为三种:
径向式、切向式和混合放置方式。
切向磁化结构中,永磁体呈并联工作状态,可以有效提高发电机的气隙磁密,但是轴部漏磁过大,需要采取复杂的隔磁措施;混合式结构的转子,若径向和切向永磁体的尺寸和位置配置合理,可以大大提高气隙磁密,但其结构复杂,永磁体用量大,转子强度低3。
本设计采用表贴式转子结构,该结构制造工艺简单,漏磁系数小。
根据公式
(1)可以求出电机的极对数p为2,所以转子的结构形式确定为四极表贴式转子。
(1)式中:
n转速;f电源频率;P转子极对数。
1.2基本尺寸确定本设计选用永磁体为钐钴磁钢XG196/964-5,矫顽力为690kA/m,剩磁感应强度为0.91T,最大磁能积(BH)max为127207kJ/m3。
根据所选的转子结构形式和稀土永磁体材料磁性能确定气隙磁密B,再根据散热条件确定负荷A的估计值。
将估算的气隙磁密B和负荷A代入永磁体表1电机的额定数据Tab.1Rateddataofthemotor额定功率PN/W550相数m3额定线电压UN/V220额定频率fN/Hz50额定转速nN1500收稿日期:
2015-03-04修回日期:
2015-03-2548农业装备与车辆工程2015年体积的估算公式
(2)中可算出永磁体体积的估计值1:
(2)式中:
Km裕量系数;LM永磁体轴向长度。
根据公式(3)确定电机的电枢内径D和电枢铁芯长度L2:
(3)式中:
P计算电磁功率;i计算极弧系数;KB磁场波形系数;KW1电枢基波绕组系数。
1.3定子设计定子采用定子冲片叠压而成,从而降低交变磁场在铁芯中产生的涡流损耗。
定子冲片的材料选用DW310-35,槽型采用半闭口梨形槽,具体尺寸计算如下:
定子齿宽计算:
(4)式中:
t1定子齿距,;KFe铁芯叠压系数,取0.95;Bti定子齿磁密(1.41.6)T。
槽口宽度取2.5,槽口高度取0.5。
绕组采用单层迭式绕组,每相绕组的并联支路数为2。
1.4空气隙的确定气隙对电机性能影响重大,气隙越小,电机的效率越高,但是会使电机的温升提高,对机械零件的加工精度要求也越高6。
可由经验公式对气隙长度进行初步确定(5)式中:
lt铁芯长度通过计算确定电机的尺寸和绕组数据如表2,电机结构如图1所示。
2电机性能仿真实验2.1空载仿真实验运用Ansoft14软件中的RMxprt对电机进行建模,然后运用RMxprt一键有限元生成Maxwell全模型,在Maxwell的瞬态场中将激励源设置为0A的电流源,便可以进行空载的仿真过程。
通过仿真得出电机空载气隙磁密如图2。
图3为一周期内的齿槽转矩,齿槽转矩过大,会使电机的噪声和震动过大。
图4为空载反应电动势,由于受尺寸的影响,并且铁芯和转子都是非线性的,所以空载反电势的波形出现谐波,对A相的空载反电势进行傅立叶表2电机设计结果Tab.2Designedresultofthemotor参数名称数值参数名称数值定子外径/mm120永磁体磁化方向长度/mm3.5转子外径/mm74电机极数4转子内径/mm26定子槽数24转子铁芯长度/mm65并联支路数2气隙长度/mm5绕组匝数4501.永磁体2.定子3.轴4.转子铁芯图1电机结构图Fig.1Motorstructurediagram图2空载气隙磁密Fig.2No-loadair-gapfluxdensity1.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00Br0.00125.00图3空载齿槽转矩Fig.3No-loadcoggingtorque转矩/(mNm)636.20500.00250.000.00-250.00-500.00-736.830.040.200.400.600.801.001.201.401.60时间/ms49第53卷第5期尤迪等:
基于Ansoft的永磁同步电动机设计与仿真变换得到A相反电势的频谱分布图5。
2.2稳态仿真分析在Ansoft中,为使永磁体的d轴与定子绕组A相轴线对齐需要使转子旋转一个机械角度,这个角度为初始位置角。
将初始位置角设置为15即可获得电机额定负载下的运行状况。
对初始角度进行参数化求解即可获得不同负载下的电机运行状况。
从图6可见,电机在18ms以后转矩趋于平稳。
从图6和图7可见初始角度越小,d轴偏离A相越多,电机的负载越重,电机的转矩越大、电流越大。
2.3计算直、交轴电感在Mexwell二维静态场中,使d轴与A相轴线重合,然后对电枢施加对应于该转子位置时刻的三相电流瞬时值,然后仿真得到三相之间单位轴向长度的自感和互感如表3,单位mH。
运用Matlab软件对所求的电感矩阵进行派克变换:
Lqd=C-1LabcC(6)求得所以直轴电感为150.2595mH,交轴电感为138.9268mH。
3结论本文根据永磁同步电动机的额定参数要求,对电机的结构和尺寸进行系统的设计。
然后结合Ansoft软件仿真分析电机的空载性能,并对转子的初始位置角进行参数化仿真,系统分析电机在不同负载下的运行状况。
最后结合Ansoft和Matlab软件仿真求解电机的直、交轴电感。
其结果对优化电机性能意义重大。
表3三相电感Tab.3Three-phaseinductancePhaseAPhaseBPhaseCPhaseA1176.90-373.32-365.76PhaseB-373.321108.30-316.74PhaseC-365.76-316.741108.00图4空载反应电动势Fig.4No-loadreactionelectromotiveforceY1/V300.0200.0100.00.0-100.0-200.0-300.00.005.0010.0015.0020.00时间/ms图5A相空载反电势的频谱分布Fig.5No-oadspectraldistributionoftheAphaseback-emf电势/V350.00300.00250.00200.00150.00100.0050.000.000.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00频率/50Hz图6不同负载下的转矩Fig.6Torqueofdifferentload0.0010.0020.0030.00时间/ms转矩/Nm25.0020.0015.0010.005.000.00-5.00图7不同负载下的电流Fig.7Electriccurrentofdifferentload电流/A6.004.002.000.00-2.00-4.00-6.000.0010.0020.0030.00时间(下转第67页)67第53卷第5期的橡胶管后,随使用长度的增加缓冲性能不会再明显提升。
(3)增大管路内径和增加缓冲罐的方案均是增加缓冲容积,足够的缓冲容积才能起到明显降噪效果。
(4)尼龙管外径小、成型好、成本低,缓冲罐可明显增加缓冲容积,且便于空间布置,综合考虑两者可结合使用。
2.4最小有效缓冲容积以下对最小有效缓冲容积进行初步推算:
缓冲罐被认为是最简单有效可减缓脉动的部件,合理设计缓冲罐并安装在靠近动力源的位置。
在往复式空气压缩机等方面气体缓冲罐已广泛使用,但在液体缓冲领域现明确缓冲容积计算方法。
在整车燃油系统管路降噪实例,燃油管路串接缓冲罐验证有效,但并未能给出有效的最小容积计算方法6-7。
往复式空气压缩机用气体缓冲罐,最小缓冲容积计算主要与各气缸每转排量总和、等熵压缩指数、绝对温度、摩尔质量相关。
现将气体缓冲罐容积计算8中各气缸每转排量总和、等熵压缩指数、绝对温度、摩尔质量分别对应为液体缓冲罐计算的缓冲罐进口流量、液体简化为不可压缩、绝对温度、液体密度,相对应保留各参数间的阶次关系并根据单位关系调整系数。
液体缓冲容积计算相似转化:
Vs=0.026Pd(Ts/100)1/4
(1)式中:
Vs需要的最小缓冲容积,L;Pd缓冲罐进口流量,L/min;Ts油液绝对温度,K;变速器油密度,kg/m3。
针对此实例中的CVT车型,发动机怠速工况下转速为800r/min,变速器油泵转速与其一致,油泵每转排量为10cm3,油温最高使用限值120(温度与缓冲容积成正比),变速器油液密度为852kg/m3,计算缓冲罐最小容积Pd=10cm3/r800r/min=8L/minVs=0.026Pd(120+273)/852kg/m31/4=0.171L因此0.2L缓冲罐理论可满足本例使用要求。
4结论
(1)通过CVT车型怠速噪声问题的改进,说明变速器冷却系统确会直接影响整车噪声。
油泵产生的振动噪声会通过冷却系统循环油液进行传递,油液传递给相连接车身,表现为车内噪声超标。
(2)通过使用橡胶管路,可在一定程度上有效缓冲噪声传递,但在使用一定长度弹性管路后,随橡胶管使用长度增加,缓冲性能不会再明显提升。
(3)在变速器冷却管路中串接缓冲罐,且尽可能布置在离变速器出油口较近的位置,油液经缓冲罐缓冲后振动幅度将降低,频率将被改变,这样传递或者辐射的噪声将被有效降低;(4)本文中缓冲罐最小有效容积计算方法为初步归纳计算,需要后期实践应用检验及修正。
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(2):
1-3.作者简介尤迪(1990),女,硕士,研究方向:
汽车电子电气及电动车技术。
E-mail:
。
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- 基于 Ansoft 永磁 同步电动机 设计 仿真