电磁场仿真分析.docx
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电磁场仿真分析
密级：
名称：
XX永磁同步电机
仿真分析报告
编写：
校对：
审核：
批准：
朴渡科技
内容提要：
对18kW永磁进行电磁场、温度场和力学结构仿真分析。
主
题
词
永磁同步电机；
更
改
栏
更改单号
更改日期
更改人
更改办法
1电机简介-3-
2
主要分析项目-4-
3电磁场仿真分析
3.5退磁校核-16-
3.6齿槽转矩仿真-16-
3.7电感仿真-17-
1电机简介
18kW永磁同步电机由***公司提出。
电机具体指标见下表1
表118kW_PMSM性能指标
序号
参数
单位
设计值
1
工作点1
转速n1
rpm
8000
转矩T1
N•m
17.91
相电流1①rms
A
z-k宀
待定
2
工作点2
转速n1
rpm
8000
转矩T1
N•m
21.5
相电流I①rms
A
z-k宀
待定
3
转动惯量Jm（电机转子、旋变、制动器）
kg•mm
z-k宀
待定
4
额定工作电压
VDC
270
5
电机尺寸
mm
①158x160mm
6
电机质量G（不含控制器）
kg
r>15（暂定）
7
效率
%
>80
8
冲击电流
A
<120
电机工作环境温度为-55C~+70C,工作制S1（长期工作），如下表所
示：
表2电机工作情况
转矩（N.m）
转速（rpm）
时间（min）
17.91
8000
r长期连续
21.5
8000
>20
2主要分析项目
借助仿真设计平台，对JXX进行电磁场、温度场、力学结构的仿真分
析。
本次仿真所采用的软件件下表2。
表3计算机软件设备
软件名称
生成厂家
版本号
AnsysMaxwell
美国Ansys公司
16.0
具体分析分析内容见下表3
表418kW_PMSM仿真分析内容
仿真项目
分析内容
电磁场仿真
电磁转矩、转矩波动
绕组铜耗、定子铁耗、转子涡流损耗、效率
退磁校核、齿槽转矩、定转子各部分磁密
3电磁场仿真分析
针对JXX电机的两个工作状态（性能指标见下表5），对其进行电磁场有
限元仿真。
表5418kW_PMSM性能指标
1
额疋工作点
转速ni
rpm
8000
转矩Ti
Nm
17.91
2
极限工作点
转速匕
rpm
8000
转矩T2
Nm
21.5
首先建立电机的二维有限元全周期分析模型，如图1所示。
图中黄、
兰、绿分别表示A、B、C三相绕组，永磁体NS极分别用红色、蓝色表示,
转子护套用橙色表示
图1电机有限元分析模型
对电机定子、转子、护套、永磁体、绕组、气隙进行剖分，其网格剖
分效果如下图2所示。
网格划分均匀，气隙处网格密度最大，满足瞬态场
图2电机网格剖分效果
电机正弦波驱动，采用ld=0控制方式。
3.1转动惯量计算
表6转动惯量精确计算
磁钢
护套
转轴
挡板
转子轭
旋变
总和
转动惯量
1324.028347
90
849.9107
：
110.9399
744.6402〕
900
3126.6
转动惯量为3126kg.mm2满足任务书要求
3.2额定工作点性能仿真
电机在额定工作点性能仿真结果见下表7。
电机在该工作点，定子铜耗
为129.0674W,定子铁心损耗243.1106W,转子部分（包括转子轭、磁钢、
转子护套）涡流损耗为185.6405W,电机的效率为95.5%。
表7额定工作点性能指标仿真
转速（rpm）
8000
电流密度（A/mm2）
4.803
转矩（N.m）
17.91]
线负荷（A/mm）
46.6854
相电流（A）
55
热负荷（A2/mm3）
224.231
相电势max（V）
127.5759
铜耗（W）
189.9688
相电势rms（V）
94.7294]
铁耗（W）
176.9034
线电势max（V）
231.4032|
转子涡流损耗（W）
103.9389
线电势rms（V）
163.56571
电机效率
96%
KT（Nm/A）
0.3256
外加线电压max（V）
237.97
KE（V/krpm）
28.9254]
转矩波动
2.36%
电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗和转子涡
流损耗损耗曲线分别见图3至图6
X¥PkM：
2LsudJS&miJSbWIA
图4相反电势波形
X¥PtotS
LudJ5&ranJSkM1■*
图5线反电势波形
图6定子铁心损耗（红色）&转子涡流损耗（蓝色）曲线
3.3极限工作点性能仿真
电机在极限工作点性能仿真结果见下表&电机在该工作点，定子铜耗
为257.2272W,定子铁心损耗208.4185W,转子部分（包括转子轭、磁钢、
转子护套）涡流损耗为118.7989W,电机的效率为95.6%
表8极限工作点性能指标仿真
转速（rpm）
8000
线负荷（A/mm）
54.3249
负载转矩（N.m）
[21.4962
热负荷（A2/mm3）
303.621
相电流（A）
64
铜耗（W）
257.2272
相电势max（V）
137.6328
铁耗（W）
208.4185
相电势rms（V）
99.3111
转子涡流损耗（W）
118.7989
线电势max（V）
[248.599
其它损耗（W）
150
线电势rms（V）
171.555
电机效率
96.1%
KT（Nm/A）
「0.335878
外加线电压max（V）
250.73
KE（V/krpm）
「31.07488
转矩波动
1.9%
电流密度（A/mm2）
5.589
电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗和转子涡
流损耗损耗曲线分别见图7至图11
IM
3.00
Timelmsl
图7电磁转矩-时间曲线
Curvakite
wqnan
rue-.
rW«"pl『肩如■
■宦”Uar.'EiMM
"3刘瀚L
22J22i
图8相反电势波形
■56
图9线反电势波形
图10定子铁心损耗（红色）&转子涡流损耗（蓝色）曲线
3.4线反电势正弦畸变率分析
电机在空载及2个负载点线电势FFT分解见下表
表9工作点5性能指标仿真
谐波次数
幅值（V）[8000rpm、空载]
幅值（V）[8000rpm、17.91Nm]
幅值（V）[8000rpm、21.95Nm]
1
232.1031
232.2229
243.6414
5
0.227507
1.038461
0.011868
7
2.811581
2.857598
0.363297
11
1.047731
0.850796
1.444807
13
0.33115
0.603673
0.49485
17
0.0179
0.432467
0.383308
19
0.162192
0.495078
0.160419
23
0.133125
0.362401
0.184248
25
0.025897
0.05768
0.16251
29
1.612324
0.731039
3.222074
31
1.561809
0.836498
3.369227
35
0.006517
0.009933
0.117133
正弦畸变率
1.6263%
1.5%
2.05%
XYp_223
善呂
紙叭卜帕厘曲旳他詢.卜他皿；r<
苦呂d
£81
II
0j
IJJ
nohwIIEkF*■
曽81
一”---一---一---"一
莒0D1500営•呂K.S
Freq-kHz,
XYp_223
-^-----------•-
^os150020.00K.s
Freq-英一jL
函138000「pm/」7・9」NmFFTV^
C-H1MTff
a£-9«.<£f£V.P.Kt.rf-
Trwj
S1B1U3-I-j
岂DO
3500
750m
ruaiMBCHI^lte^r=TA
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DOr
560
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■■
15W
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25M
'30'dO
'35.00
Frasq|kJI4
图148000rpm、21.5Nm线电势FFT分析
3.4电机磁密分析
电机在各工作点状态下磁密云图如下图所示
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图15空载工作磁密云图
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图13额定工作点（15kW）磁密云图
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图14极限工作点（18kW）磁密云图
求解得到定、转子各部分磁密见下表6,定子冲片采用20WTG1500,
电机在不同工作点各部分磁密幅值如下表所示，定子冲片接近饱和，已利
用到极限。
X¥PloM2
-I
ImsI
表9电机各部分磁密
定子轭磁密（T）
定子齿磁密（T）
转子轭磁密（T）
空载工作点
:
1.6008
1.5994
1.3867
额定工作点（17.91Nm,8000rpm）
1.6349
1.7928
1.3768
极限工作点（21.5Nm,8000rpm）
1.8092
1.7924
1.4222
3.5退磁校核
求解得到永磁体表面去磁磁势曲线，如图19所示，取电机1.5倍最大
工作点相电流96A时去磁磁势最大值为219.5139kA/m，小于永磁体
XG28/20的内禀矫顽力。
不会发生退磁。
Gwvfr**iu
JSI
3if7MU
2*T.
z»'vm
2翌S139
3.6齿槽转矩仿真
该电机直槽齿槽转矩峰峰值为17.4324mNm,可不斜槽。
*w11T111L11I''11I11I11
ODO2.5Q5.WJ7.501fl.K15KJ
Tme|S]
图16齿槽转矩波形
3.7电感仿真
仿真电机在空载8000rpm,绕组自感和互感，如下图所示，
图17绕组自感
图18绕组互感
d、q轴电感Ld二Lq=0.1186+0.0327=0.1513mH,电气时间常数t
二L/R=0.1513/0.0209332=7.23ms
附件：
Ansoft电磁计算单
ADJUSTABLE-SPEEDPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORDESIGN
此处省略。
。
。
。
。
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