三相永磁同步电机的设计及仿真优化

在永磁同步电机的工作原理的基础上，根据电机参数的计算公式和经验取值，得到了一台三相永磁同步电机的尺寸大小，并简要概括了参数计算和取值时的注意事项。通过计算的电机尺寸，利用Maxwell软件进行永磁同步电机的建模和有限元仿真分析，从而得出电机的相电压、相电流、感应电动势、气隙磁密波形及磁力线分布、磁通密度分布等。仿真结果验证了电机设计的合理性，为以后永磁同步电机的设计及优化提供了依据。

永磁同步电机参数计算有限元仿真电机设计

1 PMSM的工作原理

永磁同步电机是由定子电流合成的磁场与转子永磁体产生的磁场相互作用产生电磁转矩的。当给定子三相绕组通入交流电时，电机内部产生一个圆形磁场，根据同性相斥、异性相吸原理，当气隙合成磁场超前或落后转子主磁场时，转子主磁极就会被旋转磁极吸引，从而使转子跟着旋转。

2 PMSM的参数设计

电机设计的过程是相当复杂的，它需要考虑参数、尺寸等多种因素，设计前先给出一些已知参数，（1）额定电压UN=60V；（2）额定功率PN=1.5kw；（3）额定转速nN=3600rmin；（4）额定效率η=0.85；（5）极对数p=4，以方便接下来的计算取值。

根据上述已知参数，我们通过公式计算和经验取值可以得出电机的主要参数，大致可以确定电机的外形。

2.1电机尺寸比的选取：电机尺寸比就是定子铁心长度与定子内径之比，用字母λ表示。λ=laDa电机尺寸比λ的大小决定了电机的形状，中小型永磁同步电机的λ取值0.6～2.5，大型永磁同步电机的λ取值3.0～4.0，本文电机功率1.5KW，因此λ取1.1。

2.2电磁负荷的选取：电磁负荷包括电负荷和磁负荷，其中电负荷是指沿着定子内径圆周方向单位长度的安培导体数，用字母A表示，取值范围为15000～50000A/m；磁负荷是指气隙单位面积的平均磁通量，用字母Bδ表示，取值范围为0.3～0.6T。

在功率和转速一定时，电磁负荷决定了电机尺寸的大小，电磁负荷越高，电机的尺寸越小，成本越低，但是磁负荷过高就会使电枢损耗增加，所以电磁负荷也不宜过高，可以根据定子内径选取电磁负荷的大小。

2.3极弧系数的选取：极弧系数是指气隙磁通密度的平均值与最大值之比，用字母αi表示，αi=BδavBδ=0.63～0.72。

极弧系数越大，电机的尺寸越小，但是极弧系数增大，导致漏磁通增加，所以极弧系数应选小一些，根据极弧系数随定子内径的变化，可以选取极弧系数的具体值。

2.4气隙的选择：气隙是指电机定转子之间的间隙，用字母δ表示。电机的能量转换就是通过气隙传递的，气隙过大，磁阻也随着变大，损耗增加，反之，定转子容易产生碰撞产生噪音，本文气隙δ取值0.5mm。

2.5定子内径：Da=36.1P′kD×107BAαiηnN=7.979≈8cm，式中：kD为电机内部线圈合成的所引起的折损，一般小于1，本文0.92。

2.6定子内外径之比：DaDa1=0.4～0.7，本文取DaDa1=0.6，得出Da1=13cm。

2.7永磁体长度：L=λDa≈9cm

2.8转子外径：D2=Da-2δ=7.9cm

通过以上计算，我们得出电机参数的主要尺寸如表1所示。

3 Maxwell的有限元仿真分析

3.1PMSM在RMxprt模块中的仿真。根据已知的电机参数，通过计算可以得出电机的主要参数，再把电机的尺寸等参数输入到Maxwell软件的RMxprt模块中，通过RMxprt模块的仿真，我们可以得出电压波形图基本接近正弦波，气隙磁密波形图基本接近矩形波，而且两者的谐波含量都很小，从这两个曲线可以看出电机设计的比较合理。

3.2PMSM在Maxwell 2D模块中的仿真

电机的磁力线分布图如图所示，从图中可以清晰地看到磁力线的走势，大部分磁力线由定子轭、定子齿通过气隙到达转子齿、转子轭形成闭合回路，从而产生电磁力，只有极小一部分通过定子轭、转子轭闭合形成漏磁通，从图中看漏磁通很小，因此电机的设计较为合理。

4 结论

本文设计了一台三相12/8极的永磁同步电机，主要对电参数尺寸的取值计算进行了详细的说明，以确保电机设计的可靠性，并Maxwell软件进行仿真，通过仿真分析得出所设计的电机满足生产要求，从而节省成本，制造出最优的永磁同步电机。

参考文献：

[1]温有东.电动汽车用永磁同步电机的研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

[2]王美平，张奕黄.电动汽车用永磁同步电机电磁场分析[D].北京交通大学，2012.

[3]汤蕴G，罗应立，梁艳萍.电机学[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]敖晖，郑乃清.基于ANSOFT的永磁同步电机电磁场分析[J].宁德师范学院学报，2013.

[5]周兰，庄圣贤.基于ANSOFT电动汽车用永磁同步电机电磁设计及性能分析[D].西南交通大学，2011.