基于Ansoft的永磁電機漏磁系數仿真準確性研究

周勇，占鈺濤，戴文星

應用研究

基于Ansoft的永磁電機漏磁系數仿真準確性研究

周勇，占鈺濤，戴文星

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

通過Ansoft仿真平臺，以一臺內置式永磁同步電機為研究對象，分別在二維和三維仿真模型中進行漏磁系數計算，驗證了仿真的準確性。通過分析不同永磁體厚度下漏磁系數的變化情況，得出了提升永磁體厚度可以提高永磁體利用率的結論。

永磁同步電機 漏磁系數 Ansoft仿真

0 引言

漏磁系數是內置式永磁同步電機最重要的參數之一，表示了永磁體的利用率，其大小對電機的穩定性、轉矩脈動、弱磁調速能力有重要影響[1～2]。對漏磁系數進行精準計算有利于提高電機設計精度和性能[3～6]。目前對于漏磁系數的計算主要有基于經驗的路算法和二維有限元法。其中路算法隨著電機結構的復雜化和飽和程度的變化增大會出現偏差，二維有限元法假設電機軸向磁場無變化，忽略了電機的端部漏磁。

本文以一臺內轉子內置式永磁同步電機為研究對象，分別建立其二維和三維仿真模型，對不同永磁體厚底下的漏磁系數進行對比分析，驗證二維有限元法計算漏磁系數的準確性。

1 漏磁系數計算

永磁電機中，通過永磁體的總磁通包括與電繞組交鏈的主磁通和不與電樞繞組交鏈的漏磁通，如圖1所示。漏磁系數表征漏磁通占總磁通的分量比例，反映永磁體的利用率，表示為[7]：

利用磁路積分法可以準確的計算磁通：

式中：δ——總磁路積分面積；

m——主磁路積分面積；

δ——總磁路積分面上的磁密；

m——主磁路積分面上的磁密。

當忽略端部漏磁，假設電機軸向對稱時，（2）式可表示為：

式中：l——總磁路積分路徑；

m——主磁路積分路徑。

圖1 主磁通及漏磁通線示意圖

2 漏磁系數有限元分析

本文的研究對象是一臺2500 kW內轉子內置式永磁同步電機，其主要參數如表1所示。

表1 永磁電機基本參數

在Ansoft18.1中建立此電機的二維和三維模型，在空載工況下進行靜磁場仿真，得到兩種模型下的磁密矢量圖（軸向方向），如圖2所示。從圖中可知，二維和三維仿真結果一致，且電機空載磁場在軸向方向上的的變化很小。

圖2 二維和三維仿真磁矢量結果

在相同的徑向位置分別建立總磁場和主磁場的積分面（三維）和積分路徑（二維），提取此處的磁密波形，分別如圖3和圖4所示。圖3右圖可見，因端部效應，主磁通在端部突增。由于積分路徑的徑向方向位置相同，可以用平均磁密來反映總磁通的大小關系。利用式（2）和式（3）的方法，求得二維和三維仿真情況下主磁場、總磁場的平均磁密值和漏磁系數，列于表2中。結果表明，二維仿真較三維仿真相比，主磁通、總磁通和漏磁系數均略高，但偏差比較小，故可以利用二維仿真較準確地進行漏磁系數計算。

圖3 三維仿真磁磁密波形圖

表2 漏磁仿真分析結果

3 永磁體厚度對漏磁系數影響對比分析

使用前文所述的方法，對不同永磁體厚度下的漏磁系數進行計算，結果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著永磁體厚度的增加，漏磁系數隨之降低。二維仿真結果較三維仿真偏高，其差別很小且穩定。

圖5 不同永磁體厚度時的漏磁系數

4 結論

本文以一臺2500 kW內置式永磁同步電機為例，分別建立其二維和三維仿真模型，對不同永磁體厚底下的漏磁系數進行對比分析，通過研究得出以下結論：

1）采用二維磁場進行漏磁系數仿真時，忽略電機的端部效應，假設電機磁場軸向無變化時，相比于三維磁場仿真，操作簡單，用時更少，其差別很小且穩定；因此可以使用二維平面場仿真得到精準的仿真結果。

2）電機其他結構參數不變，隨著永磁體厚度的增加時，漏磁系數則隨之降低，永磁體的利用率顯著提高。

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Research on Ansoft-simulation Accuracy of Permanent Magnet Motor Leakage Coefficient

Zhou Yong, Zhan Yutao, Dai Wenxing

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

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TM341

A

1003-4862（2021）09-0054-03

2020-12-09

周勇（1996-），男，助理工程師。研究方向：機械制造。E-mail：1286402728@qq.com