基于Ansoft的永磁同步电机不平衡电磁力分析

摘要:与传统电机不同,永磁同步电机中永磁体产生的电磁力对电机中各个部件产生很大的影响。本文运用Ansoft仿真软件对永磁同步电动机在充磁瞬间、充磁后静态及正常运转各状态下,电机定转子偏心时,各部件所受电磁力的情况进行比较。仿真结果表明,永磁同步电机中定转子偏心对电机某些部件影响非常大。

Abstract: Different from traditional motor,the electromagnetic force that magnet induces in magnet permanent synchronous motor (PMSM) has a huge impact on various components. In this paper,PMSM under different conditions were analyzed by using Ansoft software,comparing the electromagnetic force caused by permanent magnet when the stator and rotor is eccentric or not eccentric. The simulated result showed that the stator and rotor eccentricity in PMSM have great effects on some parts of the motor.

关键词:永磁电机;仿真;电磁力;偏心

Key words: permanent magnet motor;simulation;eccentricity;unbalanced force

中图分类号:TM30 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0221-02

0引言

永磁同步电机具有效率高、转动惯量小、控制方便、控制精度高等优点,在自动控制、航空航天、汽车工业和家用电器等领域都得到了越来越广泛的应用。在永磁同步电动机中,电机转子旋转时永磁体产生的磁场与定子的旋转磁场交链,产生电磁转矩,从而使永磁体取代了普通永磁同步电机中励磁绕组的作用,电机结构被大大简化。同时永磁体的存在也引起了一系列的问题,比如齿槽力矩、装配困难等。

为了克服永磁体装配困难的问题,在中小型永磁同步电机中基本都采用先装配永磁体后充磁的方式。但是在充磁过程中由于在定子绕组中所施加的电流非常大,从而会产生很大的瞬时力,这可能会引起定转子局部变形及同轴度降低,进而造成电机性能和噪声的恶化。

本文针对永磁体在电机中所处不同状态,用Ansoft软件的Maxwell 2D模块对电机中同轴度降低引起的电磁力变化情况进行了分析。

1原理

Maxwell 2D使用虚功原理来计算电磁力,考虑n个回路组成的系统,假定其中某一回路在磁场力的作用下出现位移ds,并且系统中各回路磁链变化为ds,并且系统中各回路磁链变化为dψi,则外电源所做功等于系统储能的增加与磁场力做功之和

dW=dWm+Fds

其中,电源做功用于抵抗磁链变化产生的感生电动势,它所提供的能量为

dW=Iidt=Iidψi

系统所具有的总磁场能量为

Wm=Iiψi

系统储能的增量为

dWm=Iidψi+ψidIi

Maxwell 2D假定系统电流保持不变,则有dIi=0,从而有

dWm=Iidψi=dW

则有

Fds=dWm

进而有

F=|i=const

在这种情况下,电源能量的一半提供给系统储能,另一半用来做机械功。

在图1中,作用在平板上的力沿着虚位移s的方向,有

Fplate=|i=const=B•dHdV

2仿真分析

在永磁同步电机中可以通过三种情况来讨论永磁体的存在对电机中电磁力大小的影响:

①由于现在的中小型电机中为了使装配更加方便,都采用把未充磁的磁钢先装配好然后进行充磁,及充磁过程中的受力情况。

②充磁完成后电机处于静止状态下的受力情况。

③当电机在额定状况下正常运转时的受力情况。

本文仿真选用的永磁同步电机是某型号的压缩机中使用的电机。

电机的主要参数见表1。

图2是根据实际参数在Maxwell 2D中建立的仿真模型。

2.1 充磁时受力情况分析

在生产线上进行永磁体充磁的实际情况是在绕组上加一个很大的脉冲激励从C相流进B相流出,固定转子位置(与图2相同)。

仿真时定、转子的同轴度不良度(偏心量)可以通过在模型中使定子和绕组同时在X方向上移动一个偏心量来模拟(由仿真知当偏心的方向不同时结果差异不大)。

在Magnetostatic求解器中,根据实际情况,在C相加一个(700*35A.T),B相加一个(-700*35A.T)的电流,边界条件设置为狄里克莱边界,把求解误差设置为0.5%。

图3表示了定子、转子、每相绕组以及把所有磁钢看做整体时所受电磁力随偏心量变化趋势。

从整体上看来,定子和转子所受的力应该平衡,所以随着偏心量的增加,定子和转子所受电磁力的变化趋势和大小应该差不多(如图3)。

B、C两相绕组所受电磁力也随偏心量的增加而增大。而磁钢和未加电流的A相绕组所受电磁力很小,变化也不明显。

考虑到对于某些部件的整体受力情况分析没有太大意义,所以接下来分析了电机中单个部件的受力情况。

coilB1和coilC1表示B相和C相绕组中受力最大的半个元件(图2中一个槽内表示的部分)。由图所示,计算出的电磁力结果明显较大,这主要是因为绕组中所通电流非常大,在磁场中就会产生很强的安培力,所以在充磁时很容易出现线圈变形的现象。

定子铁心和转子铁心电磁力都是随着偏心量的增加的增大,但是转子的力的增幅明显比定子要大。前面的整体分析中已经提到定子和转子所受电磁力的合力大小差不多,但是定子中B相、C相绕组合力与定子铁心电磁力之间的夹角小于90度,而转子中磁钢所受合力几乎合力忽略(如图3所示)。

对于磁钢来说,单个磁钢受力随偏心量的变化也不是很明显,由于总体变化趋势趋于0,所以对于其他磁钢来说,随偏心量的增加,所受电磁力有增有减,但变化趋势不大。

2.2 充磁后静态下受力情况分析

充磁后电机的受力情况相对比较简单,因为计算时只需要考虑永磁体产生的磁场在各个实体上产生力的影响。仿真时的设置也就比较简单,只需把图2中的region设置为狄里克莱边界,求解误差设置为0.5%时的计算结果如图4。

由图4可知,随着偏心量的增加定子铁心和转子铁心所受电磁力大幅度的增加,这个力可能会引起电机定子或转子变形。

由于磁钢作为唯一的磁源在转子中对称分布,所以转子的受力情况与转子铁心相同。

而定子中绕组也呈对称分布,所以绕组总的合力为零。就单个绕组而言,由于导磁性较差,所以受力很小。

2.3 正常运转时受力分析

永磁同步电机可以在不同频率下额定运行,本文仅分析了该电机在频率为60Hz额定运行时电磁力的变化情况。

仿真时需要使用的Maxwell求解器为2D Transient求解器。设置转子转速恒定为3600rpm,把图2中的region设置边界条件为狄里克莱边界,同时需要设置一个额定运行时正弦波的理想电流激励。

由此得出了电机正常运转、定转子偏心量分别为0mm、0.2mm、0.4mm时电机主要部件所受电磁力随转子转动位置的变化情况。

无偏心时,转子磁钢随位置无明显凸起的均匀波动,随着偏心量的增大,波形中增加了一个频率为60Hz(即1次/转)的周期性分量,而且峰值随偏心量的增加而增大。由此可知,增加的一个60Hz的波动分量,就会在电机中产生明显的振动,引起噪声。

在偏心量为0mm时,定子和转子所受电磁力与偏心时相比很小,数值就几十毫牛,几乎与之重合,而且随着偏心量的增加电磁力增大的趋势非常明显。这与充磁和静态下的情况相吻合。

绕组受力情况,与充磁时一样,由于绕组结构对称,选用的绕组为每相中具有代表性的元件。随着偏心量的增加绕组所受电磁力峰值都相应的增大。而且每相波形都周期性的变化,频率为每转4次(即与转子极数相同),可知电磁力引起绕组的振动频率为转子机械频率的4倍。

3结论

通过对现有的永磁同步电机进行电磁力仿真分析,可以得出以下结论:

①在充磁时通电相绕组受力非常大,静态下及运动时定、转子铁心受偏心影响非常大,这些都可能会引起不良的后果。

②永磁同步电机定转子偏心使电机各部分承受的不平衡电磁力都有增大的趋势。

③偏心会使电机上某些部件受到周期性的电磁力,从而引起振动、噪声等不利影响,而且振动频率与转子极数有关。

通过本文的分析可以推断,随着永磁体牌号的增加,磁性能增加,永磁体所产生的电磁力对电机中各个部件的影响将更为明显。

在电机设计和工艺中必须考虑永磁体对电机中电磁力及定转子偏心的影响。

参考文献:

[1]Taeyong Yoon.Magnetically induced vibration in a permanent magnet brushless DC motor with symmetric pole - slot configuration[J]. IEEE Trans. Magn. ,2005,41(6):2173-2179.

[2]刘国强. Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]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,2005.

[4]戴魏,余海涛,胡敏强.基于虚功法的直线同步电机电磁力计算[J].中国电机工程学报,2006,26(22):110-114.

[5]邹继斌,朱红柳,陈霞.无刷直流电动机偏心引起的定位力矩与单向磁拉力计算[J].微特电机,2008,3.