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1、基于 Maxwell 2D 自起动单相 永磁同步电动机的设计分析沈辉玲林珍（福州大学电气工程与自动化学院，福州350108）摘要采用电磁设计与有限元分析相结合的方法，对 220V、2.2kW、1500r/min 自起动单相 永磁同步电动机进行了电磁设计分析，并利用电磁场有限元分析软件 Ansoft/Maxwell 2D 对电机 的静态和动态性能进行仿真分析，仿真与测试得到的各项性能指标的误差都在一定范围内，验 证了模型仿真与分析的正确性。关键词：自起动；单相永磁同步电动机；Maxwell 2D；有限元分析Design and Analysis of Line-Start Single-Phas
2、e Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Maxwell 2DShen HuilingLin Zhen （College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou350108）Abstract Using electromagnetic design combined with finite element analysis method, to design and analyse electromagnetically a line-start s
3、ingle-phase permanent magnet synchronous motor of 220V, 2.2 kW, 1500 r/min. By using electromagnetic field finite element analysis software Ansoft/Maxwell 2D simulate static and dynamic performance of the motor. Each performance index is obtained by simulation and test is within a certain range of e
4、rror, verify the validity of the model simulation and analysis. Key words：line-start；single-phase permanent magnet synchronous motor；Maxwell 2D；finiteelement analysis自起动单相永磁同步电动机是一种新型高性能 的单相驱动电机，在家用电器等领域具有广泛的应 用前景。其由单相交流电源供电，电机异步起动， 同步运行。 本文研究的 是一台 220V 、 2.2kW 、 1500r/min 自起动单相永磁同步电动机。在 Maxwell 2D
5、建立了该电机的仿真模型，对电机的磁力线、磁 密、空载反电势、起动过程、齿槽转矩等进行仿真 分析，通过样机性能测试，验证了电磁设计与仿真 分析的正确性。1 自起动单相永磁同步电动机的电磁设计电磁设计的基本思路是： 由技术参数和性能要 求确定定转子结构； 由性能要求和散热条件确定电 负荷 A；由转子结构和稀土永磁性能确定磁负荷 B；最后根据电磁负荷确定自起动单相永磁同步电动机的基本尺寸 D、Lef。电磁设计的流程图如图 1 所示。 考虑到产品的通用性和开发的经济性， 样机选用 单相异步电动机 YL100L1-4 的定子冲片。考虑到谐 波对电机运行性能的影响，采用正弦绕组，运转型式 为电容起动、电容
6、运转的双值电容单相永磁电动机。 鉴于原单相异步电动机转子外径较小， 为了提高电机 的气隙磁密，样机选用内置混合式磁路结构，如图 2 所示。永磁体的轴向长度 LM 一般由铁心长度确定， 磁化方向长度 hM 和宽度 bM 应根据电机的运行性能合 理设计。 气隙长度 的设计一般要比同规格感应电动 机的气隙略大 20%30%。电容器的配置使电机尽可 能在圆形旋转磁场下起动和运行， 使之有良好的起动 和运行性能。基于以上的分析，本文分析设计的自起 动单相永磁同步电动机主要参数见表 1。62014 年第 3 期研究与开 发取磁矢位 A 为求解量，电机内的电磁场可用以 下数学模型来表达： ： ( 1 A)
7、( 1 A) (J J )zex xy y 1： A 0（1）1 A 1 A J 2：s1 n 2 n 式中， 为求解区域；1 为电机定子外圆和转子内 圆边界；2 为永磁体边界；Jz 为外加轴向电流密度； Je 为转子涡流密度；Js 为永磁体边界等效面电流密 度； 为磁导率。 2.2仿真模型的建立 由于本电机的特殊性， 在 Ansoft 软件的 RMxprt 模块中不能设计该类型的电机，无法直接生成 Maxwell 2D 模型，因此样机模型需自行在 Maxwell 2D 模块中设计和建立。具体建模过程如下: 1）确定求解器瞬态求解器。 2）根据参数画出样机的模型。 3）设定材料属性，指定磁极的
8、磁化方向。 4）设置边界条件、绕组激励源及有限元分析的 网格剖分。5）确定运动边界（Band） 、转子转速、负载、 求解时间等。完成以上步骤，得到自起动单相永磁同步电动 机的模型如图 2 所示。图 1 电磁设计流程图表 1 样机主要参数表径、切向磁钢/mmLM/hM/bM130/4/20、130/4/262样机有限元分析2.1电机的数学模型 电机电磁场分析问题实际是求解给定边界条件 下的 Maxwell 方程组的问题。为简化分析，在求解 电磁场时作如下假设：1）电枢部分磁场呈二维分布，端部效应由电机 绕组的端部漏电感计及。2）材料各向同性，忽略铁磁材料的磁滞效应。 3） 忽略定转子叠片铁心和源
9、电流区的涡流效应 及位移电流。4）永磁材料用等效面电流模拟。 5）电机机壳外部和转轴磁场忽略不计。 6）端环的影响由端环电阻和端环漏抗计及。图 2 自起动单相永磁同步电动机的模型 仿真模型的有限元分析 1）空载特性分析 空载特性是电机的基本特性之一，通过空载特性2.3可知电机磁路设计是否合理。图 3 和图 4 分别是电机 在初始时刻的空载磁力线分布图和空载磁密分布图。 从图中可以看出，永磁体产生的磁通分为主磁通和漏 磁通。主磁通通过气隙参与能量转换，漏磁通通过漏 磁路而闭合。每对极的磁路由主磁路和漏磁路并联组 成。电机空载主磁场分布比较均匀，漏磁较少。电机 只在靠近永磁体附近有些许饱和，饱和区
10、域非常小。72014 年第 3 期额定功率/kW2.2极对数2 额定电压/V220相数2 额定转速/(r/min)1500气隙长度/mm0.3 额定功率因素0.99主相串联匝数198 额定效率88副/主绕组匝比1.08 定子外径/mm158绕组型式正弦绕组定子内径/mm101磁钢材料N35SH 定转子槽数36/28起动电容/F440 铁心长度/mm130运行电容/F40研究与开 发经后处理得到， 电机的定子齿磁密 Bt1 和定子轭磁密 Bj1、 转子齿磁密 Bt2 和转子轭磁密 Bj2、气隙平均磁密 Bav 和气隙最大磁密 B 值如表 2 所示。 从中可得出， 整个电 机磁密都在合理范围内，说
11、明电机设计比较合理。表 2 空载磁密值（单位/T）对气隙磁密进行谐波分析，如图 6、图 7 所示， 谐波分析后得到气隙基波及 3、5、7 次谐波磁密分 别为： B1=0.8136T， B3=0.2455T、 B5= 0.1371T、 B7= 0.1061T，其他高次谐波含量相对较少，为了提高电 机感应电势的正弦度，设计中可通过正弦波绕组、 分布绕组、转子斜槽削弱气隙磁密的高次谐波，尤 其是 3、5、7 次谐波。 一对极下，通过径向式永磁体和切向式永磁体 的磁通分别为 1=0.009916wb、2=0.02399wb，通 过定子铁心的磁通为 =0.02537wb， 则空载漏磁系0.009916
12、0.02399= m 12 1.3365数： 00.02537图 6 空载气隙磁密谐波分解图 3 空载磁力线分布图图 7 空载气隙磁密谐波含量 图 8 为主、副相空载反电势仿真波形图，由图 可见，两相绕组空载反电势波形基本上是正弦波， 但含有少量的谐波成分，二者相差 90电角度。主、 副相空载反电势分别为 E0m=212V、E0a=222V。两相 空载反电势值不相等是由于绕组匝数不等，波形相 差 90电角度是由于两相绕组在空间上相差 90 放置。设计时，为了获得较大的功率因素和效率， 通常把空载反电势 E0 设计得接近于额定电压，从波 形和幅值等可以证明设计符合要求。图 4 空载磁密分布图 空
13、载气隙磁密如图 5 所示，该图是整个气隙圆 周磁密随位置变化的分布图，气隙磁密为平顶波， 波顶有波动现象是由于齿槽效应引起的，定子开口 槽与永磁体相互作用，并随着空间位置周期性的变 化而形成的。根据表 2，得到计算极弧系数，即 Ba v Ba 0.752i图 5 空载气隙磁密分布图图 8 主副相空载反电势波形82014 年第 3 期Bt1Bj1Bt2Bj2BavB1.27871.83921.58251.24150.6470.859研究与开 发2）起动特性分析 自起动单相永磁同步电动机起动过程中，异步 转矩起动随后将转子牵入同步运行。本文研究的电 机是电容起动兼运转形的，当转速接近 0.95 额
14、定转 速时，离心开关断开，起动电容脱离副绕组牵入同 步运行。仿真时采用压控开关来模拟离心开关切换 电容。起动过程仿真是通过外电路给绕组添加激励 源，外电路模型如图 9 所示。从以上三幅图可知， 自起动单相永磁同步电动机在 约 100ms 内完成从起动到牵入同步的过程。起动过程 转矩存在些许脉动， 是因为： 由于电机定子绕组与转 子磁路结构的不对称性产生了负序磁场， 该负序磁场影 响着转矩的脉动； 采用电容分相， 不能保证在任何转 差率下运行时的气隙磁场都是一个圆形旋转磁场。 电机 主副相电流在起动时有较大的振荡， 特别是主相电流振 动幅度较大， 同步速后由于运行电容容抗大， 对转矩脉 动有抑制
15、作用，主副相电流幅度下降了。3）齿槽转矩分析 图 13 是自起动单相永磁同步电动机的齿槽转 矩波形图，从图中可以看出齿槽转矩呈正负对称、 周期性地变化。其峰值大约为 1.71 Nm。图 9 外电路模型图 当给电机加上 14Nm 的额定力矩时，得到在额 定负载下电机起动时转速、转矩、主、副相电流随 时间的变化曲线如图 10 至图 12 所示。图 13 齿槽转矩样机实验验证根据上述设计分析，本文将 Maxwell 2D 仿真设计3的计算结果与样机性能测试结果进行对比， 如表 3 所示。表 3 计算值与测试值对比图 10 转速随时间变化曲线从对比结果可以看出，Maxwell 仿真计算值和 样机测试值的误差在合理的范围内，证明了有限元 仿真分析设计的可行性。4结论本文采用场路结合的方法对 220V 、 2.2kW 、 1500r/min 自起动单相永磁同步电动机的进行电磁设 计分析。 运用 Maxwell 2D 对样机的空载特性、 起动特（下转第 31 页）图 11 转矩随时间变化曲线图 12 主、副相电流随时间变化曲线92014 年第 3 期性能指标Maxwell 计算值样 机 测试值误差%输出功率/W219722080.498 定子电流/A11.5411.4850.479
