永磁体实际形状及充磁偏差对永磁无刷电机空载反电动势的影响

永磁体实际形状及充磁偏差对永磁无刷电机空载反电动势的影响

来源：《磁性行业资讯》2013第10期| 作者：| 时间：2013-11-25

摘要：本文在Ansoft Maxwell 2D v14中建立某6p9s永磁无刷电机不同磁钢形状及充磁偏差模型，通过仿真波形得出了不同磁钢形状及充磁偏差对电机反电动势的影响。

一、引言

理论上，径向充磁永磁体能够产生宽度180°的方波反电动势，但受永磁体实际形状以及充磁不均匀的影响，实际径向充磁永磁无刷直流电机的空载反电动势为梯形波。由两相导通六状态控制方式可知，反电动势的平顶宽度至少要达到120°。而当平顶部分宽度不够，在方波电流的作用下将会产生电磁转矩脉动，最终引起电机的振动和噪声。因此，有必要讨论实际磁刚形状及充磁偏差对反电动势波形的影响。

理想的径向充磁永磁体的极弧宽度接近180°，但实际上多采用平行边切割，极弧宽度自然小于180°。另外实际永磁体多采用等径切割，因此永磁体的径向内侧和径向外侧并不是平行的，这都会影响到实际极弧系数的大小并最终影响反电动势势波形。

另外，永磁体在实际充磁时会遇到许多问题，特别是径向充磁由于对充磁头的设计要求较高，些许偏差都会影响到实际充磁方向进而影响反电动势波形，本文对实际充磁中可能产生的充磁中心便宜以及不均匀也进行了讨论。

二、实际永磁体形状的影响

受加工工艺的影响，实际永磁体采用平行边等径切割，即保持永磁体的两侧相平行，而刀具的切割半径相同，只是切割中心点不同，这样就会造成永磁体的两个径向面不平行。实际转子设计时，为了给永磁体提供定位，往往会在转子冲片上留出凸缘，这会进一步拉大两块永磁体的间隔，进而影响实际极弧系数。

为了对上述讨论的实际永磁体形状的影响进行评估，以6极9槽永磁无刷电机为例，在Ansoft Maxwell 2D v14中建立建立一对极仿真模型如图1，图中的永磁体部分分别采用三种永磁体如图2。

图3为1000rpm下空载反电动势的波形对比。从图中可以看出理想的径向充磁永磁体产生的空载反电动势波形为平顶宽度接近180°的梯形波，边沿的斜坡主要由于极间漏磁而产生。而采用平行边等径切割的永磁体平顶宽度明显减少，但仍能达到150°左右，因而符合实际应用的需要。另外，考虑定位凸缘后，空载反电动势平顶宽度进一步减小。

实际生产过程中，如果成本允许，应当尽量选择整体磁环，因为整体磁环更接近于理性形态下的径向充磁永磁体。而当考虑到工艺结构时，应当使得定位凸缘的宽度尽可能的小以减小永磁体之间的间距，尽量增大极弧系数。

三、永磁体充磁不均匀的影响

受实际工艺水平的限制，充磁机不可能实现完全的径向充磁，因而造成气隙磁密平顶宽度或波形形状与理想状况不同，进而造成反电动势波形的畸变从而引起转矩脉动。因此有必要对实际充磁不均匀进行研究。实际充磁时永磁体可以看成是有限分块的平行充磁，因此这里将永磁体分成五段，分别平行充磁如图4。

实际充磁过程中，不均匀的地方主要体现在两侧，即上图中最两遍的两块永磁体，其不均匀性主要表现在不是沿着该模块的径向方向而是略向永磁体中心指，仿真时分别取这两块的充磁角度为25°。

图5为不均匀充磁的电动势与理想充磁反电动势的对比，从图中可以看出，两者反电动势的平顶宽度大致一样，但是平顶的形状不同，不均匀充磁以后反电动势平顶部分出现了凹陷，凹陷的幅度与充磁不均匀的程度有关。若采用方波电流控制，则该凹陷会引入不小的转矩脉动，因而实际加工时因仔细设计充磁头，避免出现该充磁不均匀情况。

四、永磁体充磁中心点偏移的影响

与充磁不均匀问题一样，实际工艺中影响永磁体性能的另一大因素是充磁中心的偏移，充磁中心的偏移可以使得永磁体充磁方向更加发散或聚拢，因而不利于形成平顶宽度120°的方波反电动势。而实际应用中最容易发生的是充磁中心向径向外侧偏移(如图6)，因此本文专门对其建模讨论。

图7为不同充磁中心偏移距离时，相反电动势波形对比。从图中可以看出，充磁中心偏移会使得平顶宽度减少，反电动势幅值降低，偏移的越多，反电动势降低的越大，平顶宽度也减少越多。因此实际设计充磁头时应尽量避免出现充磁中心偏移造成的永磁体利用率降低。

五、结论

从以上仿真结果可以看出，永磁的实际形状的与理想形状之间的差异以及充磁偏差都会带来仿真结果与理想模型间较大的差异，因而实际应该用过程中应当选择尽可能宽的永磁体宽度(如磁环)以及谨慎设计充磁头形状，以达到最大永磁体利用率并降低转矩脉动的目的。

永磁同步电机计算

永磁同步电机设计 1电机仿真模型 （a ）原型电机（b ）新型电机 图1PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a ）原型电机（b ）新型电机 图3两种电机永磁磁场分布 2.2永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 （c ）两种电机比较 图4两种电机永磁气隙磁密分布 3空载稳态有限元仿真结果比较 3.1空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。 图5两种电机空载永磁磁链 图6两种电机空载永磁反电势 3.2空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 （a ）空载永磁磁链（b ）空载永磁反电势 图7磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。 4负载稳态有限元仿真结果比较 4.1电枢绕组通入三相对称电压 两种电机具有相同的参数如下：电阻R =0.0410947?，电感L =5.87143?10?5H ，额定转速n =3000r/min 。给电枢绕组通入三相对称电压： A B C 310.269sin(20035.3581/180) 310.269sin(20035.3581/1802/3)310.269sin(20035.3581/1802/3) u t u t u t ππππππππ=+=+-=++（1） 并进行有限元仿真，得到两种电机的绕组电流及转矩波形，分别如图8、图9所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 图8两种电机绕组电流波形

永磁同步电机交直轴电感计算

参数化扫描的有问题，但是趋势应该差不多 《永磁电机》 永磁同步电机分为表面式和内置式。 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻和交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq，表现出隐极性质。对于内置式，直轴磁阻大于交轴磁阻（交轴通过路径的磁导率大于直轴），因此Ld

Flux永磁电机动态退磁计算

永磁同步电机磁钢退磁计算 磁钢退磁风险及退磁性能评估是永磁电机无法回避的问题，本文针对永磁同步电机，说明采用Altair Flux 进行磁钢退磁分析的过程。 1、退磁率评估 所谓退磁率评估其实是一个电磁场后处理过程，在执行完成瞬态磁场计算后，根据指定的退磁评估点（如90%剩磁Br），由软件提取永磁体中的磁场强度H和磁密B，计算出永磁体内部的新的剩磁Br’，并计算出永磁体剩磁低于指定退磁点剩磁的面积或体积大小，即永磁体中出现退磁现象且低于指定剩磁的占比。而静态退磁评估是指在瞬态磁场计算过程中，永磁体的剩磁始终保持不变，即不考虑永磁体退磁、回复过程及引起的磁场变化和设备电气性能输出的变化（如电机电磁转矩下降）。 2、动态退磁分析 动态退磁指的是在磁场计算过程之中同时考虑永磁体由于退磁及回复过程（recoil）导致的永磁体结构中剩磁的改变，以及在新剩磁数值下的磁场分布。Altair Flux2019.1新增永磁体动态退磁分析功能，即在瞬态磁场计算过程中软件自动计算并更新永磁体退磁后的剩磁材料属性，并用于下一时间步的磁场计算。Flux 中要考虑永磁体动态退磁过程，只需在永磁体材料属性定义界面中勾选中“求解过程中考虑退磁”选项即可，其他分析设置过程与常规瞬态磁场分析设置相同，无需额外的特别设定。Flux软件计算永磁退磁过程中会自动考虑永磁体的回复线，软件内部根据定义的非线性退磁曲线结合Preisach磁滞回线模型进行。 动态退磁分析适用于2D和3D瞬态磁场分析，且在瞬态分析中初始计算设置为从静态计算开始。该退磁过程只考虑由于反向磁场引起的退磁，不考虑由于温度变化引起的热退磁。 以8极48槽三相永磁同步电机2D瞬态磁场分析为例，计算模型以及使用磁钢材料属性如下图所示：

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永磁电机电磁计算

永磁电机电磁计算 传统的电机学和电机设计中，习惯地把电机的分析和计算归结为电路和磁路的计算问题。实际上，电路和磁路中的各个参数是由电机电磁场的场量得来，由于数值计算和仿真技术的不断发展，我们可以直接使用有限元对电机的电磁场进行分析和计算。 本文将应用ANSYS软件，对大型永磁电机的电磁场进行分析和计算。这里只研究平行平面场问题，即二维电磁场，因而只有一个自由度即矢量磁势Az。电机的对称周期取一对磁极范围。考虑漏磁的影响，把转轴和机座作为模型的内外边界。 定义电机材料特性 首先，定义硅钢片的材料属性与磁化曲线，如图1： 永磁体的材料特性需要说明的是，永磁体的退磁曲线是指剩磁密度Br 与矫顽力Hcb的曲线，以下简称BH曲线。退磁曲线通常在第二象限，但ANSYS 程序中需按第一象限输入。此外还需要知道永磁体的工作温度，即电机内部温度分布，Br的可逆温度系数，Hcb的可逆温度系数。 参数化建模 参数化建模具有很多优点，各个变量物理意义明确，便于查找和修改。而且可以通过对话框快速对电机尺寸参数进行调整，缩短调试程序和优化设计的时间。这里采用ANSYS内部的对话框进行交互，可以方便其他设计人员对程序的调试，提高程序的通用性，如图2：

有限元模型的建立和边界条件 定、转子应分别建模，这样两部分模型不会相互干扰。定、转子之间的气隙，可定义两层或更多层，再经过径向拼接得到整个求解区域。分网时应注意疏密结合，气隙部分网格要足够稠密，而且沿径向应均匀分网。其它部分网格可稀疏些。模型尽量使用四边形网格，并保证节点连续。 这里只研究电机转速恒定情况，用有限元法进行电机的电磁场分析，要模拟电机定、转子之间的相对运动。这里使用运动边界法，即假设定子模型静止不动，让转子部分旋转，和真实情况一样。具体如下：气隙模型中有一条定、转子网格重合的公共运动边界，分别为定、转子的运动边界上的节点编号，并且保证相邻节点径向间距相等，这样能保证转子旋转后运动边界上的节点重合，压缩重合的关键点（KP）、节点（node），保持网格的连续性。如图3 图3 运动边界示意图 后处理

永磁同步电机计算

永磁同步电机设计1电机仿真模型 N S N S N S N S （a）原型电机（b）新型电机 图1 PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2 新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a）原型电机（b）新型电机 图3 两种电机永磁磁场分布

2.2 永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 50100 150200250300 -1.25 -1-0.75-0.5-0.2500.250.50.7511.25Distance/mm B r /T 原型电机新型电机 （c ）两种电机比较 图4 两种电机永磁气隙磁密分布 3 空载稳态有限元仿真结果比较 3.1 空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。

48 121620 -0.6-0.4-0.200.20.4 0.6 时间/ms 空载永磁磁链/W b 原型电机 新型电机 图5 两种电机空载永磁磁链 48 121620 -400 -300-200-1000100200 300400时间/ms 空载反电势/V 原型电机新型电机 图6 两种电机空载永磁反电势 3.2 空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 23456789101112131415 1 2 3 4 谐波次数 相对于基波分量百分比/% 原型电机 新型电机 23456789101112131415 24681012 谐波次数 相对于基波分量百分比/% 原型电机新型电机 （a ）空载永磁磁链 （b ）空载永磁反电势 图7 磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。