基于Ansoft RMxprt的三相永磁同步电机有限元分析

３８　机电技术　基　Ａｎｓｏｆｔ　ＲＭｘｐｒｔ的三相永磁同步电机有限元分析　黄斌　（昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明６５００１０）　摘要：利用Ａｎｓｏｆｌ软件对永磁同步电机的主要电磁参数进行估算．确定电机本体的定转子结构参数和绕组参数后，　利用ＲＭｘｐｒｔ模块对电机进行优化设计。按照给定的技术性能指标，对影响电机的参数进行分析，得到优化数据信息，确　定电机的最优化结果。　关键词：Ａｎｓｏｆｌ软件；永磁同步电机；电磁参数；优化设计　中图分类号：ＴＭ３４３．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４８０１（２０１４）０５—０３８—０３　Ａｎｓｏｌｆ　Ｍａｘｗｅｌｌ作为世界著名的商用低频电　磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得　到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采　用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变　确定好电机相关尺寸和参数后，打开Ａｎｓｏｆｌ　软件，进行电机的建模，选择电机的类型是白调速　永磁同步电机（Ａｄｊｕｓｔ—Ｓｐｅｅｄ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍａ—　ｃｈｉｎｅ），进入永磁同步电机的设计界面　。然后，　添加材料属性为ＤＷ３１５—５０和Ｎ３３一ＡＨ。接着线　为庞大的矩阵求解，软件保证了计算的准确性和　快捷性“　。ＲＭｘｐｒｔ电机模块是Ａｎｓｏｆｔ软件中的重　规选择Ｃｈｉｎｅｓｅ，即中国的国际线规。设计的步骤　如图ｌ所示。　要组成部分，可以实现与２Ｄ和３Ｄ的无缝链接，用　户可以直接将ＲＭｘｐｒｔ导入到有限元分析计算　中。在ＲＭｘｐｒｔ电机模块导入到２Ｄ瞬态场过程　中，软件会自动加载几何模型，并自动定义各部分　材料，同时给出电机的边界条件、激励源和网格剖　分等，采用电磁转矩和电流在时间上的变化规律　分析数据。在ＲＭｘｐｒｔ导人到三维场中时，软件仅　能提供几何模型和材料属性，目前还不能自动加　载边界条件和激励源，同时网格剖分和求解设定　等步骤也不能自动完成　。　永磁同步电动机，是目前工业上应用最广泛　的电机类型之一，被广泛应用在汽车、船舶、矿上　和油田等领域。三相永磁同步电机转速与旋转磁　场的转速相同，通过与磁场相互作用产生电磁转　矩，实现能量的变换。本文基于Ａｎｓｏｆｌ　ＲＭｘｐｒｔ，对　三相永磁同步电机进行有限元分析。　１　系统方正模型的建立　在建立电机模型的过程中，首先根据三相同　步电机的基本性能参数在Ａｎｓｏｆｌ　ＲＭｘｐｒｔ中生成　２Ｄ几何模型，然后利用Ａｎｓｏｆｌ本身的接口将几何　模型导人Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ，再利用Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ中的瞬　态模块进行有限元分析　－。本文采用的永磁同步　电机的基本尺寸及相关技术参数见表１。　１．１电机模型的建立　作者简介：黄斌（１９８６一），男．助理＿Ｔ程师，研究方向：电机结构设计。　图１有限元电机设计的基本流程图　笫５期　黄斌：基于Ａｎｓｏｆｆ　ＲＭｘｐｒｔ的三相永磁同步电机有限元分析　３９　表１电机相关尺寸与技术参数　自动生成的内转子永磁同步电机２Ｄ几何模　型见图２所示。　图４定子主要参数　图２永磁同步电机的模型　１．２　Ｒｍｘｐ导入Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ／３Ｄ的操作　在ＲＭｘｐｒｔ项目文件中，执行Ｃｒｅａｔｅ　Ｍａｘｗｅｌｌ　Ｄｅｓｉｇｎ命令，并选择２Ｄ输出选项。同时，在Ａｕｔｏ　ｓｅｔｕｐ前的选项框的对号勾上，让软件自行设置。　所有的设定完毕后，可以直接单击“ＯＫ”按钮退出　设置界面　’。软件开始自行生成电机模型，默认的　—，ｍ…ｌ　Ｉ　ｖ．柚－１　ｓ　１　■●　图５转子主要参数　Ｉ÷－－ｄＩ　ｃｄ　～Ｉ　妇　ｍ　Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ求解器为瞬态求解器，电机的２Ｄ模型　如图３所示。　ｌ＾　Ｉ　ｋ　ｌ　－　Ｌ－．　—Ｊ　—　＝三一Ｊ　——二＿Ｊ—　“　Ｉ　ｌ＾ｔ１¨Ｉ　图６分析参数的取值范围和步长　ｌ　生苎Ｉ坚ｌ　Ｉ！！璺苎竺　ｌｍ　Ｒ＇ｍ　ａ　２．　呻ｗ　Ｉ壁塑　ｎ０Ｔ　他９∞　苎！Ｉ塑翌　竺　ｌ型　壁　竺Ｉ　翊了　ｅ　Ｂ　船８９§ｅ。２　图３由ＲＭｘｐｒｔ生成的电机２Ｄ模型　ｌ：１４３　．斯　：硪船　Ｉｊ４１４　ｌ　９帅　｛　■　１　＿孤７州　ｅ３１２７７　：点－　，　ｒ７４璐　：舡３　Ｂ０４∞　７９７ｑ９　ａ啦３２　２方案设计与参数优化　在电机设计过程中，需要用到Ａｎｓｏｆｌ的ＲＭｘ．　ｐｒｌ模块对电机的各项性能参数进行调整，从而使　电机满足功能要求　ｔ。在完成电机基本分析后，将　对电机的定子和转子的内径、外径、极弧系数和气　ｌ３‘６　Ｈ１４７　ａ　‘　女啊ｏ＿　２５口１　２　，　洲　６日　瞻衢１＇＊●叮２　８４ｌ１∞　ｎ盯ｎ　璜　腿口７Ｒ　钿ｎ・∞¨，２　ａ＾　ｌ　｝　ｌ　Ｉ篇Ｏ　Ｉ赫　Ｉ，≈　Ｉ弼　Ｉ葛●　Ｉ强５　ｌ　％　ｒｎ＇嘲：撇１　ａ－撇蕾啪ｌ　五碱　２ｍ　９３ｍ”　随蛾　一ｎ１●∞　ｒ啦●嘲　骶硼　盯　●　：托ａ啪铬　７￣．５０１８　３攫髓９啦　７４１Ｉ　ｒ札３＇曲　ｒ“ｌ１１．　：舢砌　８００Ｂ２　．眦∞　０∞９４州　∞ｎ７８ｎｖ　－啦　３　∞３靳ｗ　７６　７箍蛳　７％　自　：☆椭　１　２州　■　钿ｍ　知ｎ　蕊　ｗ　：ａ　ａ啊一擒酬Ｄ　＇　ｓ＇　ｄ　　：：ａ，ｍ　；２５口３１　ｃＡ　－ｎ　捌ｗ　＆５　ｎ　２ｓ咀１ｗ　　‘Ｉ　７　ｎ自ｍ　挪∞ｗ　８”∞　：ｎ研　瑚１３　隙长度等参数进行优化分析。由于受篇幅所限，　这里仅详细介绍如何优化定子的外径、内径和转　子的外径和内径，陔方法适用于其他电机参数的　优化，其中¨是定子变化参数，Ｌ２是转子变化参　数，南实际生产加Ｔ条件决定槽满率极限值　为７１％，优化步骤如图４—６所示，结果在图７中选　择合适的【　１为９．５　ｎｌＩｎ，Ｌ２为０。　图７参数与两种工况下效率与功率的关系　对永磁同步电机的静态磁场分布进行分析。　图８与图９分别给出了电机在未通人电流的情况　下，电机内部感应电机的磁力线分布与电机的磁　通密度云图分布情况。转子内部靠近永磁体和气　隙磁场的磁通密度在２．００６７　Ｔ左右，在电机的其　他部位中是磁通密度最大的。　３永磁同步电机磁场分析　３．１静态场分析　气隙磁场在永磁同步电机的运行分析当中有　着极其重要的地位，为了更直观地显示各个磁场　量的大小与方向，尤其是在观察气隙磁场的强度　机电技术　流的波形分别如图ｌ２、图ｌ３所示，图１４是磁链　曲线。　一　～　鲴　捌一图　◆薰一一　一　剿幽～　札　图　拽貔　蕊豢一嗣　ｍ一～　～　　．　　～图１２额定工况下的电磁转矩　及　布　电　别　线　图１３额定工况下的定子电流波形　图１４　Ａ、Ｂ、Ｃ三相绕组磁链曲线　４结语　本文利用Ａｎｓｏｆｌ软件中的ＲＭｘｐｒｔ模块对永磁　同步电机的结构参数进行优化分析，并最终确定　＿『电机的最优化参数。Ａｎｓｏｆｔ软件中的ＲＭｘｐｒｔ模　块为基于磁路法的电机设计分析；而Ｍａｘｗｅｌｌ模块　图ｌ１电机磁密矢量图　是针对机电系统电磁计算开发的有限元包，使用　２Ｄ分析电机的静态、稳态、瞬态正常Ｔ况的特性，　３．２瞬态场分析　利用Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ对电机瞬态场的分析，从而模　拟电机的性能表现。额定工况下，电磁转矩、定子电　参考文献：　通过Ａｎｓｏｆｔ软件的辅助，电机的设计周期能大大　缩短，性能得到提高。　…Ｉ赵博，张洪亮．Ａｎｓｏｆｌｌ２在工程电磁场中的应用［ＭＩ．北京：中国水利水电出版社，２０１０：３３０—３３５．　【２】刘国强．Ａｎｓｏｉ工程电磁场有限元分析【ｆＭ】．北京：电子工业出版社，２００５．　【３】周会军，丁义．基于Ｍａｘｗｅｌ１２稀土永磁同步电机设计优化【Ｊ１．电机技术，２０１０（２）：卜４．　［４】王振，刘建周．基于ＡＮＳＯＦＴ的永磁电机有限元分析［Ｊ１．能源研究与管理，２０１０（３）：２６—３３．　【５杨红，５】王群京．永磁同步电机瞬态场的有限元动态分析ｌＪ１＿微特电机，１９８８（４）：４０—４４．　【６】Ｐｉｎｇ　Ｚｈｏｕ，Ｓｃｏｔｔ　Ｓｔａｎｔｏｎ，Ｚｏｈａｎ　Ｊ．Ｃｅｎｄｅｓ．ＤＹＮＡＭＩＣ　ＭＯＤＥＬＩＮＧ　ＯＦ　ＥＬＣＴＲＩＣ　ＭＡＣＨＩＮＥＳ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｎｓｏｆ１．ｃｏｎｇｄｅｖｉ（・ｅ／　ｍｏｔｏｒ／ＤｙｎａｍｉｃＭｏｄｅｌｉｎｇ．ｐｄｆ．