调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析1 引言与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。

随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。

变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。

这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。

本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。

2 调速永磁同步电动机的电磁设计2.1 额定数据和技术要求调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。

通过改变电机的各个参数来提高永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ϕ、起动转矩stT 和最大转矩max T 。

本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据数值 额定功率N 30kw P = 相数=3m 额定线电压N1=380V U 额定频率=50Hz f 极对数=3p 额定效率N =0.94η 额定功率因数N cos =0.95ϕ 绝缘等级 B 级计算额定数据：(1) 额定相电压：N N13220V U U ==(2) 额定相电流：3N N N N N1050.9A cos P I mU ηϕ⨯== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p= (4) 额定转矩：3N N 19.5510286.5N m P T n ⨯== 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式估算得到：2i11P D L C n '= N N N cos E K P P ηϕ'=， 6.1p Nm dp C K K AB δα=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。

E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数，初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dpK 为电枢的绕组系数，初选0.92。

A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。

由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122LL pL D D pλπτπ===，其中τ为极距。

通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。

永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。

所以设计永磁同步电动机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。

本例取=0.7mm δ。

确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。

2.3 定子铁心与绕组的设计(1)定子槽数的选择当相数和极数确定时，定子的槽数取决于每极每相槽数1q ，1q 的值对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。

1q 一般在2~6之间选取并尽量取整数，对于极数少、功率大的电机，1q 取大值；对于极数多的电机，1q 取小值。

本例取1q =4。

(2)定子绕组的设计与感应电机一样，永磁同步电动机使用的绕组型式有单层绕组、双层绕组和正弦绕组等。

这些绕组型式各有其优缺点和适用场合。

本次设计的调速永磁同步电动机的绕组是双层叠绕组,定子Y 接。

此外采用双层短距分布绕组可以避免电动机绕组中产生环流并可以削弱电动势谐波，定子绕组Y 接则可以大大减小电动机的杂散损耗，使定子电流中不含3次和3次倍数的谐波，定子电流中亦不含偶次谐波。

2.4 永磁体的设计(1)转子磁路结构设计永磁同步电动机的转子磁路结构是按照永磁体在转子上位置的不同来分类的，永磁体一般有三种排布方式:表面式、内置式和爪极式。

而内置式转子结构按永磁体磁化方向与转子旋转方向的关系又可以分为径向式、切向式和混合式三种结构。

转子磁路结构的不同会使得电动机的运行性能、制造工艺和运行场合也不同。

本例采用的是内置切向式转子磁路结构，其在一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供的，能够获得更大的每极磁通，非常适合多级电机。

但漏磁系数较大，因此需要有相应的隔磁措施。

(2)永磁体选择一般常用的永磁材料包括铝镍钻永磁材料、铁氧体永磁材料以及稀土类永磁材料，但应用于调速永磁同步电动机的永磁材料只有稀土磁体，即汝铁硼永磁体和钐钴永磁体。

本例采用的是NTP-288M 的永磁体，20C 时，剩磁为r20=1.18T B ， 矫顽力为c20=898kA/m H 。

计算剩磁密度r Br r20[1(20)](1) 1.1T B t IL B α=+--=，式中r B 的可逆温度系数-1Br 0.12%K α=-，r B 的不可逆损失率-10%K IL =，预计永磁体工作温度75C t =。

(3)永磁体设计永磁体的主要尺寸有三个:永磁体的轴向长度M L 、磁化方向长度M h 和宽度M b 。

永磁体的尺寸除了影响电动机的性能外，还影响着电动机中的空载漏磁系数0σ，也决定着永磁体的利用率。

实验证明，永磁体尺寸越大，空载漏磁系数越小。

一般来说，永磁体的轴向长度M L 就取电动机铁心的轴向长度，因此只需要设计其他两个永磁体的尺寸M h 和M b 。

通常来讲，M b 的长度设计不能超过τ的长度；设计M h 应使永磁体工作在最佳工作点，因为永磁体的最佳工作点更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度M h 。

对于内置切向式转子磁路结构，其永磁体尺寸的估算公式为：()s a 0M 0001M 0r M 21m m efm K K b h b B l b b B K L δδσστπΦ⎧=⎪-⎪⎨⎪=⎪⎩式中，s K 为电动机的饱和系数，其值为1.05~1.3；a K 为与转子磁路有关的系数，其值为0.7~1.2；0m b 为永磁体的空载工作点，即空载时磁感应强度的标幺值，一般取0.60~0.85；0σ为空载漏磁系数，是空载时的总磁通与主磁通之比，本例取1.2；1B δ为气隙磁密基波幅值，14sin 2p B B δδαππ'=； K Φ为气隙磁通的波形系数，即电机基波磁通与气隙总磁通之比，本例初选0.9。

3 模型建立和仿真计算3.1 RMxprt 电磁和结构设计根据上述电磁设计部分得到的调速永磁同步电动机的参数，在AnsoftMaxwell 的RMxprt 模块中建立电机模型，如图1所示，并设定样机的仿真参数。

仿真参数的设定至关重要，这意味着将要计算前面建立的电机模型在该状态下的工况，一般是将额定工作状态设定为分析对象。

设定完仿真参数，在确认无误的情况下，软件就会对电机进行求解计算。

RMxprt 电机分析模块是基于等效电路和磁路的方法对电机进行计算的。

最终计算清单见附录1，其列出了所有输入数据和计算结果。

图1 电机模型通过计算结果，可以看到所设计电机在额定运行情况下的效率为96.9%，满足给定的性能指标。

空载时的气隙磁密约为0.63T。

其他各项指标也均满足要求。

此外还可以得到电机的性能曲线。

图2、图3、图4分别给出了电机输出功率、效率与力矩角的关系以及气隙磁密的波形曲线。

图2输出功率与力矩角的关系曲线图3效率与力矩角的关系曲线图4气隙磁密3.2 Maxwell 2D中建立电机的二维有限元模型RMxprt模块是基于等效磁路法的电机设计模块，许多参数均由软件自动查表得到，同时由于采用了等效磁路，电机的设计精度会降低。

为提高设计精度，往往需要将RMxprt模块中的电机模型导入变换为Ansoft Maxwell 2D模型，然后进行有限元计算仿真，得到电机的瞬态特性，从而为电机的优化设计提供依据。

Ansoft 14版本能够将RMxprt模型一键式导入到2D界面中，自动完成几何模型绘制、材料定义、激励源添加、边界条件给定、网格剖分和求解参数设置等前处理项，点击运行即可生成瞬态计算模型，其对应的计算为转子在额定转速下的恒速运行，所模拟的是额定转速下三相绕组电流和转子上的电磁转矩。

图5给出的是电磁转矩曲线，图6给出的是三相电流曲线。

由于软件所给的工况是转子在0时刻前已经被拖至额定转速，然后在0时刻突然加电，而实际中电机均为从0转速升速至额定转速，因此曲线的前半段并无参考价值，而从转矩曲线的后半段可以看出在额定转速下基本稳定，但脉动较大。

从电流曲线后半段可以看出电流也基本稳定。

图5额定转速时瞬态电磁转矩曲线图6 额定转速时瞬态相电流曲线图7和图8给出的是t=0.2s时刻的电机磁力线和磁密分布图。

从图8的磁密分布图中可以看出，与磁钢靠近的定子齿部磁密较小，而定子轭部磁密较大，远离磁钢的定子齿部磁密较大，而定子轭部磁密较小。

且定子齿部的磁密最大值约为2T，定子轭部磁密最大值约为1.3T，而定子所用硅钢片D23_50的B-H曲线饱和值约为1.6T，由此可以看出硅钢片的利用率较高。

图7额定转速下t=0.2s时刻的磁力线分布图图8额定转速下t=0.2s时刻的磁密分布图4 结论本文通过Ansoft Maxwell软件比较系统地对调速永磁同步电动机主要尺寸和气隙长度、定子冲片和绕组、转子磁路结构以及永磁体等参数的确定进行了研究,并说明了电机形状与结构参数变化对电机性能的影响,同时在设计时可以调整各种电机参数得到不同的电机设计方案,对优化电机设计提供有力的手段和指导借鉴意义。

参考文献[1] 唐任远等.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2002.[2] 陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社,2012.[3] 赵争鸣,袁立强,杨晟等.可控电源供电电机的设计与分析[M].北京:机械工业出版社,2012.[4] 戴文进,张景明等.电机设计[M].北京:清华大学出版社,2010.[5] 王秀和等.永磁电机[M].北京:中国电力出版社,2007.[6] 王秀和,杨玉波,朱常青.异步起动永磁电动机-理论设计与测试[M].北京:机械工业出版社,2009.[7] 王秀和,杨玉波,朱常青.异步起动永磁电动机-理论设计与测试[M].北京:机械工业出版社,2009.[8] 刘慧娟,上官明珠,张颖超等.Ansoft Maxwell 13电机电磁场实例分析[M].北京:国防工业出版社,2014.[9] Ansoft RMxprt使用手册中文版[M].[10] 秦新燕,肖鹏程.基于Ansoft的电机设计及瞬态分析[J].湖北第二师范学院学报,2011,28(2):89-92.[11] 张巍.工频电源供电低速大转矩永磁同步电动机的设计与分析[D].沈阳工业大学,2008.[12] 王广生,黄守道,高剑.基于Ansoft软件设计分析内置式永磁同步电动机[J].微电机,2011,44(2):70-73.[13] 徐广人,唐任远,安忠良.永磁同步电动机气隙磁场分析[J].沈阳电力高等专科学校学报,2003,3(2):1-4.[13] 高徐娇,赵争鸣,赵强.永磁同步电机的结构与其电磁参数关系分析[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41(9):44-47.[14] 邱克立.永磁同步电动机与磁钢性能的关系[J].微特电机,1997,(2):16-18.。