基于Ansoft的永磁同步電機(jī)退磁仿真分析

肖勝宇 高明世 張 凱

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

在壓縮機(jī)的應(yīng)用工況下，為了保持整套系統(tǒng)的高可靠性，壓縮機(jī)中所有零件都需要進(jìn)行可靠性評估，使所有的零件都能保持在正常的狀態(tài)下運(yùn)行。對于壓縮機(jī)中的主要驅(qū)動零部件——電機(jī)來說，保持其正常的運(yùn)行狀態(tài)有多項(xiàng)指標(biāo)需要進(jìn)行評估，其中永磁體退磁是一個重要的指標(biāo)[1]。為了保證永磁同步電機(jī)按照設(shè)計(jì)的狀態(tài)運(yùn)行并達(dá)到設(shè)計(jì)的效果，永磁體需要在充磁飽和的狀態(tài)下工作[2]。當(dāng)永磁同步電機(jī)中繞組通入過大的運(yùn)行電流或者發(fā)生定轉(zhuǎn)子失步有較大的定位電流時，轉(zhuǎn)子永磁體就會發(fā)生不可逆退磁，整個電機(jī)將不再運(yùn)行于最佳工作狀態(tài)，其性能將會發(fā)生不同程度的下降，進(jìn)而影響到壓縮機(jī)的性能[3]。因此對永磁同步電機(jī)進(jìn)行抗退磁能力評估是一項(xiàng)重要的工作。

目前對于永磁同步電機(jī)的退磁電流的測試方法一般為：并接電機(jī)繞組某兩相，給繞組通入電流使轉(zhuǎn)子自動定位，并固定電機(jī)轉(zhuǎn)子此時位置，隨后通入反向電流，并對比測試通入退磁電流前后的線磁鏈值，以該值下降3 %為限定標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前采用的仿真分析方法為在永磁體上設(shè)定取樣曲線，并計(jì)算施加退磁電流后取樣曲線上剩磁回復(fù)值，按照剩磁平均值降低3 %為限定標(biāo)準(zhǔn)。以上實(shí)驗(yàn)測試方法和仿真分析方法存在判定指標(biāo)不一致的情況，因此為了提高仿真準(zhǔn)確性以及仿真與測試的一致性，以及充分應(yīng)用Ansoft的退磁仿真功能，本文對Ansoft的退磁仿真功能進(jìn)行了研究。

1 Ansoft仿真分析軟件退磁仿真

1.1 基本設(shè)置

1.1.1 電機(jī)退磁仿真工況

本次研究Ansoft退磁仿真方法主要目的為摸索Ansoft軟件中設(shè)置退磁仿真時的一些基本設(shè)定和注意事項(xiàng)。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)按照正常的電機(jī)性能仿真設(shè)定，仿真模型為模擬電機(jī)正常運(yùn)行并通入了較大電流時電機(jī)永磁體發(fā)生退磁的情況，按照3 %磁鏈降低為界限限定[3]。預(yù)計(jì)按照此種工況將軟件的設(shè)定和注意事項(xiàng)熟悉之后，再按照實(shí)際測試工況建立仿真模型，并對比和修正仿真與測試數(shù)據(jù)趨向于一致。

1.1.2 Ansoft軟件退磁仿真設(shè)置

1）按照正常電機(jī)性能仿真建立仿真模型，例如轉(zhuǎn)速任意設(shè)定，初始角度、三相電流、弱磁角度等按照性能仿真設(shè)定，仿真時長按照一個電周期，仿真步長和網(wǎng)格剖分根據(jù)需求設(shè)定。

2）電機(jī)模型材料按照性能仿真正常設(shè)定，永磁體材料按照退磁測試溫度下的B-H曲線給定，最好包括第二、三象限的數(shù)據(jù)，例如圖1的設(shè)置。之后按照圖2中的設(shè)置步驟打開退磁膝點(diǎn)計(jì)算。

圖1 退磁仿真材料B-H示例

3）使用初始模型仿真空載電機(jī)磁鏈和反電勢并記錄以作對比，隨后修改繞組電流為退磁電流并仿真獲取永磁體的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（不用專門計(jì)算，完成仿真即已經(jīng)自動存儲）。

4）復(fù)制一份初始模型，并將圖 2中的退磁膝點(diǎn)計(jì)算關(guān)閉，設(shè)置為No operating points computation。

圖2 打開退磁膝點(diǎn)計(jì)算

5）按照如下步驟調(diào)用初始模型的永磁體運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算在受到退磁運(yùn)行電流后的永磁體回復(fù)后在空載狀態(tài)下的電機(jī)磁鏈和反電勢。

在模型界面不選中任何元素的條件下，如圖3中添加永磁體場激勵。

圖3 添加永磁體激勵

如圖4中調(diào)用的模式設(shè)置為退磁，并鏈接初始模型的場數(shù)據(jù)。

圖4 退磁模式設(shè)置

6）設(shè)置繞組電流為零，仿真永磁體回復(fù)后的空載磁鏈和反電勢，對比退磁前的空載反電勢和磁鏈并計(jì)算退磁率。

1.2 評估仿真分析與實(shí)測結(jié)果的一致性與差異性

采用任何的仿真方法分析仿真模型并與實(shí)際模型進(jìn)行對比分析時，兩者存在差異性都是很正常的現(xiàn)象，根據(jù)對兩種模型的認(rèn)識進(jìn)行相應(yīng)的修正，盡可能的使兩種模型達(dá)成一致的效果，并了解清楚兩者之間的對應(yīng)規(guī)律即可。此處針對仿真模型與實(shí)際模型結(jié)果的差異性可以從以下幾個方面進(jìn)行分析：

1）搭建的仿真物理模型與實(shí)際物理模型是否盡可能的一致，例如2D和3D的區(qū)別。兩個模型的差異性對結(jié)果的影響是否影響了最終結(jié)果的精度，模型的差異性導(dǎo)致結(jié)果的偏離是否在可以接受的范圍內(nèi)。

2）仿真模型所采用的材料屬性是否盡可能與實(shí)際一致，是否存在一定的評估手段和指標(biāo)使仿真模型的材料盡可能的與實(shí)際模型的材料取向于一致。

3）仿真模型的運(yùn)行工況是否與實(shí)際測試工況一致，兩者是否可以盡可能的趨向于一致以減少兩者之間的誤差。

4）仿真方法本身是否存在誤差或者不合理的地方，是否存在一定的評估指標(biāo)和手段對仿真運(yùn)行工況進(jìn)行分析和判斷。

5）針對某一款機(jī)型仿真模型與實(shí)測模型兩者的結(jié)果能夠形成完整的對應(yīng)關(guān)系，是否可以推廣到其他機(jī)型，如果不可以推廣到其他機(jī)型，不同機(jī)型之間的修正規(guī)律是否可以研究。

2 切向式永磁同步電機(jī)退磁仿真分析

本次研究中以切向式永磁同步電機(jī)的抗退磁能力為分析對象，對此種退磁仿真分析方法進(jìn)行了初步研究，并修正了仿真模型與實(shí)測數(shù)據(jù)的一致性。

2.1 仿真分析電機(jī)方案

本次共對兩個電機(jī)方案進(jìn)行了仿真分析，均為12S10P電機(jī)方案；如圖5、圖6所示，方案一 為一種內(nèi)置隔磁襯套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，方案二為一種一體式隔磁橋轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖5 方案一

圖6 方案二

修正永磁體B-H曲線，使方案一 仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果趨近，并將方法應(yīng)用于方案二對比仿真與實(shí)際測試結(jié)果。

2.2 仿真分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果對比

對于兩種電機(jī)方案的仿真分析結(jié)果與實(shí)際測試退磁率（見表1）。

表1 兩種方案退磁仿真與實(shí)測對比

對比實(shí)驗(yàn)測試與仿真分析結(jié)果，兩者之間仍然存在些許的差異性，其中的原因和進(jìn)一步的準(zhǔn)確性修正仍然需要深入研究和分析。

3 存在的問題與研究思路

1）仿真過程中可以通過觀察永磁體上取樣曲線的B-H值來對永磁體的工作點(diǎn)進(jìn)行初步判斷，觀察過程中發(fā)現(xiàn)有時永磁體的工作點(diǎn)并未移動到B-H退磁曲線拐點(diǎn)處（如圖7），但是回復(fù)曲線卻已經(jīng)是發(fā)生了退磁后的回復(fù)，究竟是仿真誤差導(dǎo)致還是B-H曲線的問題需要進(jìn)一步分析。

圖7 發(fā)生退磁前后B-H曲線

導(dǎo)致以上現(xiàn)象的原因可能為取了線段上的平均值，可以改用取樣元素為點(diǎn)來判斷取樣元素的實(shí)際B-H運(yùn)行曲線是否為給定的B-H曲線。

2）模型中建立相關(guān)參數(shù)（如電流、疊高、轉(zhuǎn)速等）對于仿真方法是否有影響，是否對仿真結(jié)果有影響，需要進(jìn)一步的判斷分析，本次研究中并未建立任何參數(shù)，如果建立參數(shù)則需要在第二個模型中進(jìn)行兩個模型參數(shù)匹配，可能會導(dǎo)致誤差。

3）本次仿真方法研究中，每次仿真回復(fù)模型都需要重新復(fù)制退磁模型生成，該過程能否省略需要進(jìn)一步的研究分析。

4）永磁體參數(shù)對于評估仿真準(zhǔn)確性問題，即使對于同一款電機(jī)方案，例如切向式電機(jī)方案，在修整好永磁體B-H曲線時，當(dāng)調(diào)整疊高時都需要有可能需要對B-H參數(shù)進(jìn)行重新修正，本次研究中以12S8P有隔磁橋轉(zhuǎn)子電機(jī)方案為例，對沿縱軸方向調(diào)整永磁體B-H曲線造成的電機(jī)方案抗退磁能力的影響進(jìn)行了研究，分析數(shù)據(jù)如表2。

表2 B-H曲線調(diào)整對抗退磁能力影響

4 總結(jié)

綜合以上分析，新的仿真分析方法已經(jīng)能夠基本和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果形成一定程度的對應(yīng)關(guān)系，但是準(zhǔn)確度和其中的一些仿真機(jī)理仍然需要更多分析，而且根據(jù)目前的研究，該仿真方法中仍然存在一些疑問需要進(jìn)一步的完善。