基于Ansoft的永磁同步電機退磁仿真分析

肖勝宇 高明世 張 凱

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

在壓縮機的應用工況下，為了保持整套系統(tǒng)的高可靠性，壓縮機中所有零件都需要進行可靠性評估，使所有的零件都能保持在正常的狀態(tài)下運行。對于壓縮機中的主要驅動零部件——電機來說，保持其正常的運行狀態(tài)有多項指標需要進行評估，其中永磁體退磁是一個重要的指標[1]。為了保證永磁同步電機按照設計的狀態(tài)運行并達到設計的效果，永磁體需要在充磁飽和的狀態(tài)下工作[2]。當永磁同步電機中繞組通入過大的運行電流或者發(fā)生定轉子失步有較大的定位電流時，轉子永磁體就會發(fā)生不可逆退磁，整個電機將不再運行于最佳工作狀態(tài)，其性能將會發(fā)生不同程度的下降，進而影響到壓縮機的性能[3]。因此對永磁同步電機進行抗退磁能力評估是一項重要的工作。

目前對于永磁同步電機的退磁電流的測試方法一般為：并接電機繞組某兩相，給繞組通入電流使轉子自動定位，并固定電機轉子此時位置，隨后通入反向電流，并對比測試通入退磁電流前后的線磁鏈值，以該值下降3 %為限定標準。但是，目前采用的仿真分析方法為在永磁體上設定取樣曲線，并計算施加退磁電流后取樣曲線上剩磁回復值，按照剩磁平均值降低3 %為限定標準。以上實驗測試方法和仿真分析方法存在判定指標不一致的情況，因此為了提高仿真準確性以及仿真與測試的一致性，以及充分應用Ansoft的退磁仿真功能，本文對Ansoft的退磁仿真功能進行了研究。

1 Ansoft仿真分析軟件退磁仿真

1.1 基本設置

1.1.1 電機退磁仿真工況

本次研究Ansoft退磁仿真方法主要目的為摸索Ansoft軟件中設置退磁仿真時的一些基本設定和注意事項。電機運行狀態(tài)按照正常的電機性能仿真設定，仿真模型為模擬電機正常運行并通入了較大電流時電機永磁體發(fā)生退磁的情況，按照3 %磁鏈降低為界限限定[3]。預計按照此種工況將軟件的設定和注意事項熟悉之后，再按照實際測試工況建立仿真模型，并對比和修正仿真與測試數(shù)據(jù)趨向于一致。

1.1.2 Ansoft軟件退磁仿真設置

1）按照正常電機性能仿真建立仿真模型，例如轉速任意設定，初始角度、三相電流、弱磁角度等按照性能仿真設定，仿真時長按照一個電周期，仿真步長和網(wǎng)格剖分根據(jù)需求設定。

2）電機模型材料按照性能仿真正常設定，永磁體材料按照退磁測試溫度下的B-H曲線給定，最好包括第二、三象限的數(shù)據(jù)，例如圖1的設置。之后按照圖2中的設置步驟打開退磁膝點計算。

圖1 退磁仿真材料B-H示例

3）使用初始模型仿真空載電機磁鏈和反電勢并記錄以作對比，隨后修改繞組電流為退磁電流并仿真獲取永磁體的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)（不用專門計算，完成仿真即已經(jīng)自動存儲）。

4）復制一份初始模型，并將圖 2中的退磁膝點計算關閉，設置為No operating points computation。

圖2 打開退磁膝點計算

5）按照如下步驟調(diào)用初始模型的永磁體運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，計算在受到退磁運行電流后的永磁體回復后在空載狀態(tài)下的電機磁鏈和反電勢。

在模型界面不選中任何元素的條件下，如圖3中添加永磁體場激勵。

圖3 添加永磁體激勵

如圖4中調(diào)用的模式設置為退磁，并鏈接初始模型的場數(shù)據(jù)。

圖4 退磁模式設置

6）設置繞組電流為零，仿真永磁體回復后的空載磁鏈和反電勢，對比退磁前的空載反電勢和磁鏈并計算退磁率。

1.2 評估仿真分析與實測結果的一致性與差異性

采用任何的仿真方法分析仿真模型并與實際模型進行對比分析時，兩者存在差異性都是很正常的現(xiàn)象，根據(jù)對兩種模型的認識進行相應的修正，盡可能的使兩種模型達成一致的效果，并了解清楚兩者之間的對應規(guī)律即可。此處針對仿真模型與實際模型結果的差異性可以從以下幾個方面進行分析：

1）搭建的仿真物理模型與實際物理模型是否盡可能的一致，例如2D和3D的區(qū)別。兩個模型的差異性對結果的影響是否影響了最終結果的精度，模型的差異性導致結果的偏離是否在可以接受的范圍內(nèi)。

2）仿真模型所采用的材料屬性是否盡可能與實際一致，是否存在一定的評估手段和指標使仿真模型的材料盡可能的與實際模型的材料取向于一致。

3）仿真模型的運行工況是否與實際測試工況一致，兩者是否可以盡可能的趨向于一致以減少兩者之間的誤差。

4）仿真方法本身是否存在誤差或者不合理的地方，是否存在一定的評估指標和手段對仿真運行工況進行分析和判斷。

5）針對某一款機型仿真模型與實測模型兩者的結果能夠形成完整的對應關系，是否可以推廣到其他機型，如果不可以推廣到其他機型，不同機型之間的修正規(guī)律是否可以研究。

2 切向式永磁同步電機退磁仿真分析

本次研究中以切向式永磁同步電機的抗退磁能力為分析對象，對此種退磁仿真分析方法進行了初步研究，并修正了仿真模型與實測數(shù)據(jù)的一致性。

2.1 仿真分析電機方案

本次共對兩個電機方案進行了仿真分析，均為12S10P電機方案；如圖5、圖6所示，方案一 為一種內(nèi)置隔磁襯套轉子結構，方案二為一種一體式隔磁橋轉子結構。

圖5 方案一

圖6 方案二

修正永磁體B-H曲線，使方案一 仿真結果與實際測試結果趨近，并將方法應用于方案二對比仿真與實際測試結果。

2.2 仿真分析結果與實際測試結果對比

對于兩種電機方案的仿真分析結果與實際測試退磁率（見表1）。

表1 兩種方案退磁仿真與實測對比

對比實驗測試與仿真分析結果，兩者之間仍然存在些許的差異性，其中的原因和進一步的準確性修正仍然需要深入研究和分析。

3 存在的問題與研究思路

1）仿真過程中可以通過觀察永磁體上取樣曲線的B-H值來對永磁體的工作點進行初步判斷，觀察過程中發(fā)現(xiàn)有時永磁體的工作點并未移動到B-H退磁曲線拐點處（如圖7），但是回復曲線卻已經(jīng)是發(fā)生了退磁后的回復，究竟是仿真誤差導致還是B-H曲線的問題需要進一步分析。

圖7 發(fā)生退磁前后B-H曲線

導致以上現(xiàn)象的原因可能為取了線段上的平均值，可以改用取樣元素為點來判斷取樣元素的實際B-H運行曲線是否為給定的B-H曲線。

2）模型中建立相關參數(shù)（如電流、疊高、轉速等）對于仿真方法是否有影響，是否對仿真結果有影響，需要進一步的判斷分析，本次研究中并未建立任何參數(shù)，如果建立參數(shù)則需要在第二個模型中進行兩個模型參數(shù)匹配，可能會導致誤差。

3）本次仿真方法研究中，每次仿真回復模型都需要重新復制退磁模型生成，該過程能否省略需要進一步的研究分析。

4）永磁體參數(shù)對于評估仿真準確性問題，即使對于同一款電機方案，例如切向式電機方案，在修整好永磁體B-H曲線時，當調(diào)整疊高時都需要有可能需要對B-H參數(shù)進行重新修正，本次研究中以12S8P有隔磁橋轉子電機方案為例，對沿縱軸方向調(diào)整永磁體B-H曲線造成的電機方案抗退磁能力的影響進行了研究，分析數(shù)據(jù)如表2。

表2 B-H曲線調(diào)整對抗退磁能力影響

4 總結

綜合以上分析，新的仿真分析方法已經(jīng)能夠基本和實驗測試結果形成一定程度的對應關系，但是準確度和其中的一些仿真機理仍然需要更多分析，而且根據(jù)目前的研究，該仿真方法中仍然存在一些疑問需要進一步的完善。