喏名L乃农别名阄2018,45 (2)研究与设计I EMCA永磁同步力矩电机的多领域联合设计与分析李天宇，代颖，赵剑飞，郑江(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)摘要：基于Ansys、MATLAB/Simulink等仿真软件，对永磁同步力矩电机的工作特性进行多领域分析。

以抑制转矩脉动和振动为目标对电机进行电磁仿真和模态分析;仿真电机转速的转子力和转子结构形变;校核技术指标要求的最高转速工作点的运行可靠性;基于Ansys Simplorei■平台对电机控制系统的转矩特性进行仿真;分析电机加工工艺对电机性能的。

系发，寻求的电机设计方案。

关键词：永磁同步力矩电机；电磁场"动力学特性"联合仿真中图分类号：TM 351 文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2018)02-0097-05Multi-Physical Field United Designand Analysis of Permanent MagnetSynchronous Torque Motor*LI Tianyu，DAI Ying，ZH AO (School of M echatronics E n g in eerin g an d A u to m atio n，S hanghai U n iv ersity，S hanghai 200072, C h in a) Abstract: Based o n Ansys，MATLAB/Simulink simulation software，the working characteristics of a permanent magnet synchronous torque motor o n formulti-physical field were analyzed. The motor electromagnetic simulation andmodal to suppress t he torque ripple and vibration; Simulate the centrifugal stress and rotor structure deformation ofrotor in highest no load speed was analyzed. Check the technical index requirements of the r speed running point； United design the torcque characteristics of motor control system based on Ansys Simplorerplatform. Analyze the i nfluences of the processing technology in motor performance，and sought the optimal designscheme of motor from the aspects of overall system.Key words ：permanent magnet synchronous torque motor ；electromagnetic feld；dynamic characteristic ；united design0引言力矩电机电机和驱动电机发展成的电机，其直接拖动负载运行，同时制的制进行转。

永磁同步 力矩电机转矩特性，同、机特性与特性好、运行可靠、振动小等优点，机床、电等需要平运行的场多的[1_2]。

永磁同步力矩电机通常工作转状态下，甚天一转。

由于作用于，所以对其转矩的平稳性要求，转矩的波动对系统。

的永磁同步力矩电机年研究的热点，对永磁力矩电机进行设计 及要电机的动力学特性。

本文基于A n sy s、M A T L A B/S im u lin k等仿真软件，对 永磁同步力矩电机进行多领域分析，电机系 的可靠运行，从系发，寻求的电机*基金项目：国家自然科学基金-青年科学基金项目（51007050);台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》资助项目(D R E G2016015)作者简介：李天宇（1995—），男，硕士研究生，研究方向为电机设计和多物理场分析。

代颖（1980—），女，博士，副教授，研究方向为电机振动噪声及多物理场分析。

（通讯作者）97研究与设计I EMCA違权控刹名阄2018,45 (2)电机 前后气隙磁密沿圆周方向分布的波如图2所示。

对进行傅里叶分解后如图3所 示，优化后电机气隙磁密3次谐明显抑制。

图3傅里叶分解优化前后气隙磁密本文样机长径比较小，绕组端部对电机电磁 性能的 比普通电机大，因此采用M axwell 3D 仿真样机的电磁特性。

电机3D 仿真模型和有限 元网格剖分如图4所示。

图4 3D 仿真模型技术指标要求电机的转矩脉动<5%，Maxwell 3D 仿真结果表明样机的转矩脉动为1.92%，满足 标要求；图#所示为电机转矩特性曲线的 3D 有限元仿真结果。

°020406080 100 120 140t/m s图#转矩特性的3D 有限元仿真结果设计方案。

1永磁同步力矩电机的电磁场分析 和优化永磁同步力矩电机是低速直驱电机，机械特 性软，动力方式为恒转矩通7永磁同步电机的，电机工作转状态下，对转矩脉动要求。

电机转矩脉动的 要有两类：（1 )电机存在电枢齿槽而产生的转矩；（2)电机定子电流中含有谐波分量而导致的转矩脉动[3]。

转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体与子铁心之间相互作用产生的转矩，是永磁体与 电枢齿之间作用力的切向分量引起的，即：进行傅里叶展开，可以得到永磁同步力矩电 机的齿槽转矩表达式[4]:6 岩（7:) % &5;%si n &9 ⑵式中：9—电枢槽数；!a ---电枢铁心的轴向 ；:1、：2—电枢外径和定子内径；&—使nz /lp 为 的 。

根据式（2)，可以通过削弱；@及5的次数及幅值来削弱齿槽转矩。

电机选择16极、18槽的极槽配合方案， 利用永磁体与电枢齿的作用力切向分量互相补偿 的作用削弱齿槽转矩，并通过对电枢槽口尺寸和 极弧系数的 改善电机气隙 的正弦度。

A n sy s 有限元电磁场仿真软件在电磁场方面 的仿真准确性已经被证明[5_7]。

基于AnsysMa x w ell 2D 电磁场仿真软件建立电机的2D 有限 元仿真模型如图1所示。

a .M s x价一 98 —唆机拉刹名阄2018,45 (2)研究与设计I EMCA2永磁同步力矩电机的动力学特性2.1有限元振动模态分析样机对要求，要求电机结构刚，工的电磁振动[8]。

限元模态分析可以电机模型的性，通过合理的模型建立以及网格剖分可以较为准确地仿真出电机模型的径向模态振型及，对于电机振动噪声的研究及要。

建立的电机模型，有限元网格剖分且质量不高，对于仿真分析来说可能反会导致分析结果变差。

为简化分析，仅电机振动模态的部分--------定子铁心。

样机结构扁平，径向模态更容振，建立电机定子铁心的有限元仿真模型，基于Ansys V o rk b en c h分析电机定子铁心的径向模态，定子铁心模态仿真的特性如表1所示。

定子铁心的模态仿真模型及有限元网格剖分如图6所示。

表1定子铁心材料参数属性密度/(k g.m-3)杨氏模量/G P a切模量/G P a泊松比5, 2065?= 73定子铁心7 6505,2065'= 730.35? = 1505? = 80图6定子铁心有限元模态仿真模型及网格剖分图电机定子铁心结构的径向模态振型及固有频 率的有限元仿真结果，如图7所示。

电机工作状态下作用于电机的电磁力与的[9]。

然电机定子铁心的径向模态，但本样机电机运行的转于10r/m in，基于1.3 H z,其电磁力与电机相差，因此，不会运行时产生电磁振动。

B: statortotal deformation 8type: total deformationfrequency: 3^9.38 Hzunit: mm2017/5/4 11:07B: statortotal deformation 13type: total deformation51.055 Max41.22931.40424.853).38 Hz frequency: 961.73^ unit: mm717/5/4 11:07〇ir〇(a) 2阶360 HzB: statortotal deformation 14type: total deformatio^^^^ type: total deformation frequency: 1727.2 frequency: 2580.0unit: mm unit: mm2017/5/4 11:12 2017/5/4 11:12■70.684 Max ^^0-82.297 Max ^:48.960 g f i g： 55.431 ^Jf e〇：5M i n(b) 3 阶961 HzB: statortotal deformation 19(c) 4阶 1 727 Hz(d) 5阶2 584 Hz图7定子铁心径向模态振型及固有频率2.2转子离心力分析电机运行转子力，容易导致薄弱部，电机的运行可靠性和电机的[10]。

标要求样机10 000 r/m in运行。

样机采铁永磁，明显低于，电机内运行力可能会其承，对电磁场产生。

基于A n sy s有限元仿真软件，建立转子 2D :限元力仿真模型，分析样机运行转子中力的，分析：量对电机电磁场和机械可靠性的，预测电机内力对电磁场和机械性能的。

仿真结果表明，电机旋转时转子的：力和量位于永磁，不同转子力及永磁量如图 8 示。

一 99 一研究与设计I EMCA違权控刹名阄2018,45 (2)仿真结果可知，电机10 000 r /:n 时作用于 永磁体的力为1.17 M P a ,远小于钦铁硼永磁材料的 80M P a [7];转子 的最量0.26 ":，不会发生塑性变形。

因此，电机 可以在10 000 / /m i n 的转可靠运行。

3电机矢量控制分析及联合仿真电机驱动系统通过齿对 力矩的 动，所以 、系统的、控制限。

永磁同步力矩电机取动 ， 动， 机中间环节的 和误差。

目前工 永磁同步力矩电机主流控制方法为矢量控制+11]。

量控制的基 对电机定子电流矢量的相位和幅值进行控制，通过坐标 ，在转子磁向坐标中， 流机的方法分制电磁转图 9Ansys Simplorer、Maxwell 2电机与控制系统的联合仿真结果如图10所示。