优化永磁同步电机反电势正弦度的方法

[ 摘  要 ]   永磁同步电机气隙磁场的正弦度，反应出电机谐波含量的大小，影响电机的转矩脉动和噪音、效率。永磁同步电机在设计时，在确定了定子外径、内径、叠厚等参数，需要通过调整转子极弧系数相关的参数，优化气隙磁场的正弦度。本文主要讨论通过优化反电势的正弦度，快速优化气隙磁场的正弦度。

[ 关键词 ]   永磁同步电机，反电势、正弦度

前言

永磁同步电机由三相正弦波电压驱动，要求电机气隙磁场呈正弦分布，空载反电势接近正弦波。表贴式转子的永磁电机，气隙正弦分布较容易做到。本文主要讨论如何快速实现IPM电机气隙磁场正弦分布。本文所涉及的仿真软件，是一款国外的电机仿真软件，使用率较高。

1 气隙磁场正弦度对电机性能的影响

气隙磁场的正弦度差，电机运行时，电流的谐波含量高，谐波电流使电机的铜耗增加，效率降低，温升增加。正弦度差，造成电机的转动脉动大，增大振动和噪音，加快转动部件的磨损，减少电机的寿命。

2 常规优化气隙磁场的方法

在永磁同步电机设计时，常用的优化气隙磁场的方法：在软件的静态场中仿真，在气隙中画一个圆，根据气隙径向磁密的计算公式：

B=Bx*cos(θ)+By*sin(θ)

在软件中通过“Fields—Calculator”新建如下公式：

在仿真的结果中，求取气隙径向磁密波形，然后做FFT分析，将基波和谐波分离出来。通过调整极弧系数有关参数（如：RIB，HRIB），降低谐波的含量，或者在转子外圆的特定位置开凹槽，降低谐波含量。如下图1-气隙径向磁密波形、图2-FFT分析

图1

图2

 

2.1 这种气隙磁密波形做FFT方法优化的缺点：

a.没有考虑电枢反应对气隙磁场的影响，由于三相电源供电，会自动消除3次谐波和3的倍数次谐波。

b.优化所需要的时间长、效果差。或许通过调整参数，降低了5次和7次谐波，13次和17次谐波又增加。每次优化，需要记录不同阶次谐波的含量，处理的数据量大。

c.可能出现气隙磁场的谐波降低了一些，但是空载反电势的正弦度并没有达到最优。

3 一种快速优化反电势正弦度的方法

    3.1现在讨论一种快速现实气隙磁场正弦度的方法。

如果气隙磁场的正弦度好，那么反电势波形的正弦度也好。因此，优化气隙磁场的谐波，不如直接优化反电势波形。反电势的正弦度决定了转矩脉动，可以把转矩脉动作为判断依据，调整相关参数，降低转矩脉动，优化反电势正弦度。

    3.2具体操作。

采用仿真软件的电流源模型仿真，取电机的额定功率-额定转速，以转矩脉动作为评判依据；通过调整极弧系数相关的参数，使转矩脉动降低。选取转矩脉动小的相关参数组合，新建模型，仿真空载反电势和齿槽转矩。重复以上步骤，直到反电势正弦度和齿槽转矩达到较好的结果。

    3.3采用这种方法优化反电势正弦度的优点。

通过降低转矩脉动，优化反电势正弦度，是一种以结果为导向的方法。可以在软件中将有关的参数，设置多个组合，通过“optimization”功能，让软件自动寻找优秀的参数。节省仿真时间。如下图3：

 

图3

 

 图4  

4 结论

本文讨论常规优化永磁电机气隙磁密的方法，和一种新型的通过降低转矩脉动优化气隙磁密的方法。用这个新型的方法优化气隙磁密正弦性（反电势正弦度），更加快捷、高效。

   

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