基于Ansoft Maxwell求取永磁体空载工作点的方法
【技术领域】
[0001] 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AnsoftMaxwell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】
[0002] 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。
[0003] 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AnsoftMaxwell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】
[0004] 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 AnsoftMaxwell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。
[0005] 为达此目的,本发明技术方案如下:
[0006] 第一步,建立AnsoftMaxwell2D永磁电机模型,利用Magnetostatic求解器完成 求解;
[0007] 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;
[0008] 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Hi,用线积分求得每段的磁位差;
[0009] 第四步,磁矢位法求取极间漏磁;
[0010] 第五步,建立电机AnsoftMaxwell2D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;
[0011] 第六步,计算永磁体空载工作点。
[0012] 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AnsoftMaxwell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】
[0013] 图1永磁电机1/4截面图;
[0014] 图2永磁电机1/2端部模型。
【具体实施方式】
[0015] 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。
[0016] 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 AnsoftMaxwell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AnsoftMaxwell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。
[0017] 本发明的基本思路:建立AnsoftMaxwell2D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 的磁场强度氏,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AnsoftMaxwell2D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。
[0018] 附图1为永磁电机1/4截面图;
[0019] 附图2为永磁电机1/2端部模型。
[0020] 进一步,具体实现步骤为:
[0021] 步骤一,建立AnsoftMaxwell2D永磁电机模型,利用Magnetostatic求
解器完成 求解;
[0022] 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AnsoftMaxwell2D中将弧离散为1000等分段进行求解。 则每极磁通:
[0024] 其中,n= 1000,t为极距,At=t/n,L为铁心长度,Bs⑴为弧线某点的气 隙磁密,BSav为气隙磁密平均值,可直接由AnsoftMaxwell后处理得到;
[0025] 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&,用线积分求得每段的磁位差;
[0027] 其中,Hjj)为j点的磁场强度,Ali=li/mli为曲线i的长度,Hiav为曲线i磁 场强度的均值,可直接由AnsoftMaxwell后处理得到。
[0028] 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:
[0030] 其中,Aa、Ab、Ac、Ad分别为A、B、C、D点的矢量磁位值,可直接由AnsoftMaxwell后 处理得到;
[0031] 步骤五,建立永磁电机建立AnsoftMaxwell2D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:
[0033] 其中,别为E、F、G、H点的矢量磁位值,可直接由AnsoftMaxwell后 处理得到;
[0034] 空载漏磁系数:
[0035] 〇 〇= 〇 〇 2-1
[0036] 步骤六,计算永磁体空载工作点。
[0037] 外磁路总磁位差:
[0038] EF=F1+F2+F3
[0039] 主磁导:
[0041] 主磁导标幺值:
[0043] 其中,hM、Am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。
[0044] 漏磁导:
[0045] A0 = ( 〇 0-1)As
[0046] 漏磁导标幺值:
[0048] 外磁路总磁导标幺值:
[0049] An=As + 入。
[0050] 永磁体工作点:
【主权项】
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Ansoft Maxwell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Hi,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;其中,η = 1000,τ为极距,Δ τ = τ/n,L为铁心长度,Bs (η)为弧线某点的气隙磁 密,BsavS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;其中,HiU)为j点的磁场强度,Δ Ii= 1夕11,Ii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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899382
【申请号】CN201510325079
【发明人】白瑞林, 于圣龙, 李新
【申请人】江南大学, 无锡信捷电气股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日