ansoft计算交直轴电感.

1、基于有限元方法的永磁同步电动机等效电路参数计算与试验的研究张宝强韩雪岩唐任远(沈阳工业大学，沈阳110023摘要本文主要研究永磁同步电动机等效电路参数中稳态电抗参数计算与试验验证。首先，说明计算等效电路参数的意义、求解等效电路参数的原理然后与试验结果比较验证。再根据不同气隙长度的电抗参数,在数值上的比较得到相应的规律。关键词:等效电路;参数:有限元法TheResearchofEquivalentCucuitPaiameteiofthePermanentMagnetSyncliionousMotorbyFinite-elementMethodZhangBaoqiangHanXueyanTangR

2、envuan(ShenyangUniversityofTechnology.Shenyang110023AbstractThetopicofthispaperistheleseaichofthecalculationoftheequivalentcucuitparameterinthepennanentmagnetsyiichionousniotorandtheprovmgtluoughtheexpernnent.Fust,themeaningofcalculatetheequivalentcucuitpaiameteiandthetheoiyofthecalculationofthepaia

3、meteiofequivalentcucuitwillbeexplam.Then,comparewiththeresultofexpeiunent.theruleofpaiameteiofequivalentcucuitwillbeacquueThroughcomparewiththelengthofgapKeywords:equivalentciicuit;paiametei;finite-elementmethod1引言永磁同步电动机由于具有体积小、高效节能等优点，近年来得到了广泛的应用。但是永磁同步电机也存在一些不同于电励磁电动机的问题，其中，电抗参数的准确计算就是重要问题之一1。永磁电

4、机的磁极结构往往设计得较为复杂，电机的磁路很饱和，导致电机的电抗参数随磁路的饱和情况而变化2,因此永磁同步电动机电抗参数的求取比较困难。等效电路是研究电机性能的一种有效手段对于等效电路参数的计算可以采用场化路的方法，这种方法在电励磁电机中获得广泛应用，但永磁电机内部磁路复杂，利用传统的磁路方法对有些情况处理不够准确，原因是场化路的方法将实际分布的电磁场等效成磁路，但对于永磁电机,等效之后忽略了很多，影响了精度，近年来,在求取电机内部电磁场的方法中，有限元方法是一种非常有效的方法,现在国内外对电磁场分析大多采用有限元方法，文献1中采用时变场有限元算法来求取永磁同步电动机的电抗参数1。文献应用修正

5、屮的二维有限元法计算电抗参数3。本文提出一种计算电抗参数的方法，通过计算值与试验值的比较,证明这是一种行之有效的方法。本文采用Aiisoft软件来进行计算。2利用有限元方法计算电枢反应电抗2.1概述本文提出一种计算电抗参数的方法，通过计算值与试验值的比较,证明这是一种行之有效的方法。本文中将永磁同步电动机的运行状态分解为等效直轴状态和等效交轴状态这两种状态。等效直轴状态就是电枢绕组电流只有直轴分量而没有交轴分量的状态。等效交轴状态就是电枢绕组电流只有交轴分量而没有直轴分量的状态。2008年第4期112008年第4期60dad8qaqqdcossincossinEEIXEIX111100|/V=

6、_（丨=|=11=1（1根据公式（1,为了得到电机电流的直轴分量和交轴分量,需要知道屮角。根据相量图1中的关系可以得到电机中功率角0为功率因数角e和内功率因数角v之和，即e屮帖十。dEljl图1永磁同步电动机相量图通过大量的试验与计算验证，内置式永磁同步电动机功率角e的范围为50。55。,表面式永磁同步电动机功率角e的范围为30。35。,而永磁电动机的功率因数一般在0.95左右，即200,所以可以得到内置式永磁同步电动机的屮角为30。35。,表面式永磁同步电动机的屮角为1015。本文计算时,内置式永磁同步电动机的屮角选择为35。,表面式永磁同步电动机的屮角选择为15。为了验证屮角选择的合理性，

7、又对屮角在5。范围变化时的电抗参数值进行了校核，结果表明，参数值的误差范围均在1%以内。将有限元法应用于工程设计和研究时,要解决前处理技术、电磁场计算、对场计算结果进行再处理等问题4。计算时的有限元分析是在Aiisoft软件平台上进行的。2.2直轴电枢反应电抗的计算电机稳定运行时,三相电流的关系如下120cos(120cos(cosmCmBmA111111111(2根据电机学原理三相电流经过dqO等效变换之后，得到电流关系如下III f卄=。卄。-+-=。+。-+=3/3/120sin(120sin(sin23/120cos(120cos(cos2CBAOCBAqCBAd111111mill6

8、60000(3在式(2中，令Ot=。得到式(3中的电流关系III(-=2mCBmAIIIII(4以A相轴线为原点，将永磁体的d轴与A相轴线重合，当08=。时，这时的dq轴电流如下等效的直轴状态的电流Im是指电机额定电流的直轴分量，永磁同步电动机的这种运行状态就是等效直轴状态，因为交轴电流为零，没有交轴电枢反应，则此时的电机气隙反电势即为直轴电动势，即E6=Ed，根据电机学原理电枢反应电动势由式Ead=E0-Ed来得到，此时刻的相量图为图3OE.dE图2等效直轴状态的相量图di0E图3由于等效直轴状态下，利用Aiisoft计算出气隙电动势E6就是直轴电动势Ed,而Ed、E0和Ead在同一轴线上，

9、因此可以利用式Ead=E0-Ed所示的方程可方便地求取直轴电枢反应电抗adX，即0addEEXI-=2.3交轴电枢反应电抗的计算等效交轴状态是在式(4中电流关系下以A相轴线为原点，令906=。则永磁体的q轴与A相轴线重合，这时dq轴电流如下式dqm0III=fI=1I(7在此处Im是指电机额定电流的交轴分量根据在等效直轴状态得到的V角来求取,这就是永磁同2008年第4期13步电动机的等效交轴状态。等效交轴状态因为直轴电流为零，故没有直轴电枢反应。与等效直轴状态不同，此时的气隙反电势不等于交轴反电动势，即Ed?Eq，气隙电动势E6,励磁电动势E0以及交轴电动势Eaq三者之间关系，如图3所示。图3

10、中电机等效交轴状态E6与图1中电机额定状态的E6磁场饱和程度不相同，为了使二者饱和程度相同，应使等效交轴状态的的励磁电动势E0与等效直轴状态的直轴电动势Ed相等，从而满足磁场饱和程度相同,可以通过将修改等效交轴状态下的永磁体的剩磁B1-和矫顽力Hc使等效交轴状态励磁电动势E0所对应气隙磁通密度B61与等效直轴状态直轴电动势Ed所对应的气隙磁通密度B62相等来得到。电旨技朮图4交轴电枢反应和空载磁通密度波形利用Aiisoft软件平台在等效交轴状态下可以方便地计算出曲线1和曲线2进而方便地分离出曲线3。即分离出交轴电枢反应、因而计算出交轴电枢反应电动势Eaq，从而计算出交轴电枢反应电抗aqaqqE

11、XI=3电抗参数的测试与误差及影响因素本文对永磁同步电动机通过大量的试验,对几种主要测试方法(伏安法、电压积分法、负载法进行了对比试验分析也与参数计算方法进行了对比分析，得到了一些有意义的结论。伏安法测量原理如图5所示，永磁同步电动机的直轴同步电感，交轴同步电感，零轴电感，这三个电感可分别用电机在ABC固定轴线下电枢绕组自感、互感的平均值(LsO、MsO及其2次分量幅值(Ls2来表示，即ds0s0s2qs0s02OsOsO32322sLLMLLLMLLLM=4=+=-(9利用伏安法测定直轴和交轴同步电感参数时按图5接线。电旨技术电旨技术图5伏安法测定参数时的绕组接线和测量原理电压积分法测量原理

12、如图6所示。图6电压积分法测量原理图由公式ITL=只要测得电感中流过的电流及其产生的磁链、就能得到稀土永磁同步电动机的交直轴电感值，为了测出电感中的磁链，将电感通过电阻R放电。从而有udtRidtcooT=所以udtLIoo=j这里01为电流初始值卫为回路中电阻上的电压值，这样电感的测量可以转化为对电压的积分，这就是称其为电压积分法的原因5八：G八1对于纯电感负载法，当永磁同步电动机作发电机运行，且定子接三相纯电感负载,永磁同步发电机的运行相量图如图8所示，由该相量图得到ddIUEX-=0UdjXI图7永磁同步发电机纯电感负载相量图2008年第4期14通过改变纯电感负载的大小得到不同去磁电流所

13、对应的直轴电抗dX2o电压积分法的优点是测量结果不受与被测绕组耦合的其他无源闭合线圈的影响,并旦容易处理饱和问题，缺点是热效应产生的电阻温漂使电桥不容易达到平衡6。伏安法是一种简便的测量方法，对于表面式永磁同步电机很适用，但对于内置式永磁同步电机结果不理想，有待于进一步研究，纯电感负载法对于测量直轴电抗结果理想，但只能测量直轴电抗，测试时必须考虑是否可以忽略电阻，以及测试时纯电感负载发热的问题。从计算数据和试验数据可以看出内置式结构永磁同步电动机适合采用电压积分法来求取电抗参数;表面式更适合采用伏安法来求取电抗参数。表1内置径向式数据比较（误差以试验值为基值计算结果试验结果误差对比（功率/kW

14、XdXqXdXqXdXq0.120.1280.3980.1370.3166.32-260.250.1150.3110.1220.3135.30.680.370.1330.330.1420.3516.485.920.550.2270.4350.2220.49-2.6811.20.750.2530.4880.2240.501-13.12.462.50.40.6630.3810.656-5.2-0.99表2表面式数据比较计算结果试验结果5.554.54S3.5误差对比（功率/kWXdXqXdXqXdXq0.9(36槽0.1880.1890.1820.182-3.17-3.810.9(48槽0.177

15、0.1810.1720.231-2.8421.61.00.1390.1440.1440.1464.051.821.50.1120.1130.1140.1151.431.78通过比较表1、表2,可以发现计算值与试验值数值上比较接近，证明这种计算方法可以满足工程需要。考虑相同条件下气隙长度对电抗参数的影响如下(以0.75kW电机为例:在图8中下面的曲线为直轴电抗，上面的曲线为交轴电抗，可以看出随着气隙长度的变化电抗参数在数值呈下降趋势,见图&气隙长度对凸极率影响见图9。图8气隙长度对电抗参数影响图9气隙长度对凸极率影响4结论本文讨论永磁同步电动机电抗参数的计算与试验方法，计算方法中利用了Aiisoft软件进行有限元分析，通过比较计算值与试验值,证明这是一种行之有效的计算方法，在此基础上，总结出气隙长度的增大电抗参数的数值呈略有下降、而凸极率总体上呈上升的趋势。当磁化方向长度增大时,电抗参数呈下降趋势，而凸极率总体上也呈上升的趋势，对于提高永磁同步电动机的性能有定的实际意义和应用价值。参考文献1刘长红，姚若