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|起重机用永磁同步电动机设计及有限元分析( 二 )


表2 N42H 主要磁性能
|起重机用永磁同步电动机设计及有限元分析
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1.4.2 永磁体尺寸设计
永磁体的主要尺寸包括永磁体磁化方向长度h M 和宽度b M 。 针对表面式永磁同步电机 ， 其永磁体尺寸可近似由式（4）确定 。
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式中：δi 为电动机的计算气隙长度 ， 本文取2 mm；B r / B δ 一般取1.1~1.35；α p 为电机的极弧系数 ， 取极弧系数为0.75 。 经过式（4）计算得到 ， 选取25 对磁极 ， 永磁体h M 为11 mm ， b M 为62 mm 。
2 基于Ansoft 的有限元分析
结合以上计算数据 ，运用Asoft 16.0 软件中的RMxprt 模块对三相50 极表面式永磁同步电机的定转子尺寸、永磁体极弧系数及绕组方式等参数进行设定 ， 通过模块中自带的电机求解器计算出效率曲线来校验所设计的尺寸是否合理 ， 最后将合理的电机模型导入到Maxwell 2D 模块中完成建模 ， 进行电机瞬态电磁场的有限元分析 。
2.1 基于RMxprt 模块的模型建立
电机的结构尺寸和相关技术参数见表3 ， 电机模型见图1 ， 定子绕组绕线方案见图2 。
表3 永磁同步电机结构参数
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图1 RMxprt 中电机模型
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图2 定子绕组绕线方案
在RMxprt 模块中依次对定转子尺寸、槽型、槽的尺寸以及定转子和永磁体的材料进行设定 ， 经由RMxprt 模块的求解器 ， 计算出效率、气隙磁通、输入电流和转矩角的关系曲线 ， 见图3 ～图6 。
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图3 电机效率与转矩的关系曲线
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图4 电机的气隙磁密波形
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图5 额定负载时电枢绕组感应电动势
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图6 额定负载时的电枢电流
图3 ～图6 分别反映了电机效率和转矩角的关系 ， 当20°～ 40°之间时 ， 电机效率最高 ， 可以达到80%以上 。 此时额定负载的气隙磁密波形、电枢感应反电动势波形、电枢电流波形都趋近于正弦波形 ， 基本满足要求 ， 该设计方案合理可行 。
2.2 基于瞬态二维电磁场的永磁同步电机仿真
利用RMxprt 模块对所设计的电机尺寸校验完成后 ， 将合理的电机模型导入到Maxwell 2D 中进行瞬态电磁场的有限元仿真分析 。 对于体积较大且具有对称或反对称特点的模型 ， 通常对其对称部分进行分析 ， 如图7 所示 ， 是所设计电机的1/50 有限元模型 。

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1. 转子 2. 永磁体 3. 定子 4. 定子线圈绕组
图7 永磁同步电机有限元模型
模型导入Maxwell 2D 成功后 ， 激励源和边界条件会在导入成功后自动完成设置；接着对运动条件和求解步骤进行设定 ， 保持电机在1 500 r/min ， 分析时间为100 ms ， 步长为0.2 ms；通过求解步骤自动完成分析得到结果 。 图8、图9 分别为电机在t =0.1 s 时的磁力线分布和磁密云图分布 ， 通过分析可以直观地了解在运行过程中电机内部的磁场分布和变化情况 。


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