永磁同步電機交直軸同步電抗參數仿真

陸海斌，胡粵華，楊蒙蒙

（1.長安輕型車研發中心，河北 定州 073000；2.金泰德勝電機有限公司，廣東 佛山 528308）

永磁同步電機交直軸同步電抗參數仿真

陸海斌1，胡粵華2，楊蒙蒙1

（1.長安輕型車研發中心，河北 定州 073000；2.金泰德勝電機有限公司，廣東 佛山 528308）

為了研究永磁體勵磁飽和對電機交、直軸同步電抗的影響，從理論上簡單闡述直接負載法的原理。運用有限元法對某內置式永磁同步電機負載仿真，通過對交、直軸電流參數解耦掃描，得到交、直軸電流組合下的反電勢曲線，對仿真得到的反電勢基波幅值及其相位通過后處理分析，形成交、直軸電抗矩陣和其隨交、直軸電流變化的曲線，最后總結電抗參數Xd和Xq隨交、直軸電流的一些變化規律，為該種電機的準確設計提供參考。

內置式永磁同步電機；有限元法；反電勢；交、直軸電流；交、直軸電抗

永磁同步電機（Permanent magnet synchronous motor，簡稱PMSM）的交、直軸電抗參數與其穩態和動態運行性能關系極大，是PMSM設計成敗和研究其運行性能的關鍵。與傳統電勵磁同步電機相比，PMSM不僅在勵磁結構、磁路結構上有很大差別，其交、直軸電抗參數，特別是瞬態參數的物理意義及其測試方法也有差別。凸極同步電機直軸氣隙小而交軸氣隙大，=因此直軸磁路相對飽和，而永磁電機剛好相反，直軸存在永磁體，等效氣隙大，所以交軸磁路更容易飽和［1］。通過有限元法來分析飽和對PMSM交、直軸電抗的變化，對PMSM設計有重要的指導意義。

1 直接負載法

永磁同步電機穩定運行時，轉軸上輸入（發電機）或輸出（電動機）恒定轉矩，來實現機電能量的轉換。由于轉子上開有永磁體槽，造成了沿氣隙圓周磁阻的不均勻，所以，采用把磁路分為對稱的交、直軸的雙反應理論來分析稀土永磁同步電機的運行情況，其負載運行時相量圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電機相量圖

當永磁同步電機負載運行時，在測取空載勵磁電動勢E0、電樞端電壓U、電流I、功率P、功率因數角和功率角θ等值之后，便可求得電樞電流的直軸和交軸分量

1）發電機運行時

2）電動機運行時

永磁同步電機穩態參數隨電機運行狀況改變而改變，當電樞電流變化時，Xd和Xq都有所變化。因此，在仿真時須考慮電機運行工況，且測定電機參數值時也必須同時注明電機的工況（交、直軸電流大小或者定子電流和內功率因素角）。

2 有限元法

2.1 空載反電動勢E0

空載反電勢E0是永磁同步電機一個比較重要的參數，它由電動機中永磁體產生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應產生，公式如下［2］

式中：f——頻率，Hz；Kdp——繞組因數；N——每相串聯匝數；Kφ——氣隙磁通波形系數；bm0——永磁體空載工作點磁密標幺值；Br——剩磁密度，T；Am——永磁體提供的每極磁通截面積，cm2；σ0——空載漏磁系數。

E0的大小不僅決定電動機運行于增磁狀態還是去磁狀態，而且對電動機的動、穩態性能影響很大。

以某IPM電機有限元仿真，分析其額定工況下電抗參數。電機參數值：額定功率P為40 kW；極對數p為4；最大扭矩T為290 Nm；定子槽數Q1為48。

為了仿真方便，取1/8模型。如圖2所示。

從圖3可以看出，給電機電流激勵源后，電機轉子磁橋出現飽和。

2.2 基于ansoft maxwell的電抗矩陣分析

通過Optimetrics參數掃描Id、Iq，得到交、直軸電流激勵下的反電勢曲線，見圖4。經過FFT（傅里葉分解）得到不同交、直軸電流下的氣隙磁密基波幅值和其所對應的相位，作為電抗矩陣的輸入。

圖2 PMSM模型和反電勢曲線

圖3 電機磁密云圖對比

圖4 PMSM反電勢掃描曲線

經處理，得到電機交、直軸電抗矩陣數據，見表1、表2。

表1 Xd直軸電抗矩陣

表2 Xq交軸電抗矩陣表

2.3 交、直軸電抗曲線分析

為了更好地反映出Id、Iq對電機電抗飽和與交叉飽和的影響，筆者采用圖5曲線圖的表達方式來描述。

圖5 Xd，Xq電抗解耦圖

圖5體現了交叉飽和對參數的影響，隨交、直軸電流的增大，Xd、Xq都呈下降趨勢。但交軸電抗的變化較直軸電抗的變化更為明顯，下降幅度遠大于直軸電抗，這是因為交軸磁路磁阻小，更易導致飽和［3］。

［1］ 劉長紅，姚若萍，劉彤彥.變頻調速永磁同步電機電抗參數的研究［J］.大電機技術，2003（5）：1-5.

［2］ 唐任遠，李振標.現代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］ 尚靜，鄒繼明，孫立志.異步起動稀土永磁同步電機電抗參數準確計算［J］.哈爾濱工業大學學報，2005，37（1）：120-122.

（編輯 凌 波）

Quadrature & Direct Axis Synchronous Reactance Parameter Simulation for Permanent Magnet Synchronous Motor

LU Hai-bin1，HU Yue-hua2，YANG Meng-meng1
（1.Changan Light Co mmercial Vehicle R&D Center，Dingzhou 073000，China；2.Kim Tae Desheng Electric Co.，Ltd.，Foshan 528308，China）

In order to study effects of the permanent magnet excitation saturation on motor quadrature and direct axis synchronous reactance，this article theoretically expounds the principle of simple direct load method.Using the finite element method to conduct the load simulation on a built in permanent magnet synchronous motor；through the axis current parameter decoupling scan to obtain the back-EMF curve；conducting the postprocessing analysis on back EMF amplitude and phase，and form the current matrix and curve；and finally su mmarizes change patterns of reactance parameters Xdand Xqwith axis current，which provides references for accurate motor design.

built in permanent magnet synchronous motor；finite element method；back EMF；q/d axis current；q/d axis reactance

U463.645

A

1003-8639（2017）09-0033-03

2016-11-29；

2017-06-02

陸海斌（1983-），男，工程師，研究方向為新能源汽車電機設計、電機系統測試開發；胡粵華（1985-），男，工程師，研究方向為新能源汽車電機優化設計；楊蒙蒙（1989-），女，工程師，碩士，研究方向為新能源汽車電機設計、電機系統測試開發。