参数化建模及分析魏 超，孙德强，任延生，杜 杰，倪 伟
(中车永济电机有限公司，山西永济 044502)摘 要：根据永磁辅助同步磁阻电机(PMASRM)复杂的结构特点，基于ANSYS Maxwell 2D软件平台，介
绍参数化绘制几何模型的过程，并对结构参数进行优化设计。对恒转矩区间采用最大转矩电流比(MTPA)控
制策略、恒功区间采取弱磁控制求解电机电压、电流、内功率因数角、转矩的具体步骤进行 ，为同类电机设计 为实用的 &文献标志码：A 文章编号：1673-6540( 2019) 12-0055-06关键词：永磁辅助同步磁阻电机；结构参数化；最大转矩电流比；弱磁控制中图分类号：TM 352
Parametric Modeling and Analysis of Permanent Magnet Assisted
Synchronous Reluctance Motor on Maxwell 2D SoftwarrWEI Chao, SUN Deqiang, REN Yansheng, DU ]ie, NI Wei(CRRC Yongji Electric Co., Ltd., Yongji 044502, China)Abstract: According to the complex structure characteristics of the permanent magnet assisted synchronous
reluctance motoe ( PMASRM) , the process of parameterization and geometric model establishment was introduced
based on tUe ANSYS Maxwell 2D software platorm, and the structural parameters were optimized. Furthermore, the specific procedures of using maximum torque per ampere ( MTPA) control strategy in constant torque region and fielU
weakening control in constant power reeion W get motoe voltage, current, internal power factor angle and torque were
Olustrated in detail. It provides a more practical analysis method for the design of the same kind of motoeKey words: permanent magnet assisted synchronous reluctance motor ( PMASRM) ； structerr
parameterization ； maximum torque per amperr (MTPA) ； field weakening control0引言有同步磁阻电机转子通常设计成具有多层
PMASRM拥有较低反电动势以及较宽的恒功区 间的优 , 成 比 永磁电机 ,行 [1]& 内对 型电机的研究主大高校， 大于1998 率介绍了永磁同步磁阻电机[1]; 工空气磁障的结构。当同步磁阻电机的转子磁障中
永磁， 成永磁辅助同步磁阻电机
国内
(PMASRM)。PMASRM结合了永磁同步电机 (PMSM)和同步磁阻电机的特点，
用磁大 于 2014 对电 大
PMASRM进行了有 并发 大 、 工 大
用[2]；阻转矩和永磁转矩，具有功率
、
高、效率高、体大 、大 工大 、 大 、 大 、
优， 用 的永磁 可以对与 永磁电机 的 &同时,型电机的研究中& 电 有 司对该作者简介：魏&(1984—),男，工程师，研究方向为电励磁同步发电机及永磁同步电机设计与应用。
孙德强(1976—),男，高级工程师，研究方向为永磁同步电机设计与应用。任延生(1972—),男，高级工程师，研究方向为同步电机设计与应用。—55 —研究与设计I EMCA型电机进行 为深入系统的研究，并由黄辉⑶版 内具有代 的专著《永磁辅助同步磁阻电机设计与应用》。目前
型电机主要几十千瓦的小功率阶
电动汽车领域。由于转子特殊的磁障结构使PMASRM设计难度 大,且目前尚未有成熟的经典计算程序 ［使用， 部设计单位和制造企业望而却步。
代计算机仿真软件为
型电机的设计提供了—种设计技术&ANSYS Maxwell作为一款功能强大的有限元
软件，可以通过场的方式完成几乎所有的电 机计算 ，已
界所广泛使用。Maxwell 2D几何建模阶
多种建模方式，包括RMxpo、外部模型导入、直接点 线面3种建模方式。这3种建模方式有着各自的
特点，但均存在模型不易修改，或模型修改后需要
新进行设置，无法快速
对几何参数进行优化设计的缺点。本文基于Maxwell 2D，对PMASRM进行了参
数化建模，同 对整个过程进行了阐述，提高 设 计和优化效率。1数学模型给定条件下，不考虑退磁和涡流等影响，建
立PMASRM在d-q坐标系下的数学模型，可
到电压、磁链、电磁转矩的方程 为\\Ud 8 RSd - !丄qiqI7- 8 R + ad. + !r\"(1)f
\\\"d 8 ：：ded ； \"f k 8-.(2)<8p#\"d.-ed%8Pp{1 2oaet + 亍(：d - Lqi asin20 8Pptq + P( Ld - Lqi ..(3)式中：Rs——电枢电阻；a、a—d轴电流和-轴电流；!-------转子电角速度；Ld、Lq——d轴电
g轴电感;f------永磁磁链;P----极对数；#----电流与d轴夹角8 tan—56 —-1 (f);电札与披制应用2019,46 (12)a----定子电流,a =槡+ a &产0时，式(1)〜式(3)即为同步磁阻电
机数学模型的方程。PMASRM空间矢量图如图1所示&图1 PMASRM空间矢量图PMASRM与PMSM控制类似,是典型的控制
电机 结合的机电一体化设计。该系由 电 机 、 控制 、 转子位置
3 部成，
常用的位置 有光电编码器或者旋转变压器& PMSM 起 前一定 前预测
转子永磁磁极的精确位置 ，
变电根据转子磁场的角
控制定子 的电流频率 位，从而 电机与控制 结合&2几何建模思想在Maxwell 2D中构造几何图形如图2所示&图2简易几何模型将几何图形的每一个端点坐标(>，Y，Z)通过
已知的几何参数，经数学计算
式的形式述&女口:构造定子 内径、外设置为变量，
定义为s_os和s_is，
3
&NameValueUnitEvalua tetSegjnent TypeLinePointls i s/2』0 mm j 0 mm25 mm , 0 mm , 0 mmPoint2s os/2 j 0 mm j 0 mm45 mm , 0 mm f 0 mm图3简易几何模型参数设置通过调整参数s_os，可以方便地实现模型的
即时更改，
4
&电机与披制应用2019,46 (12)研究与设计I EMCA表2定子槽形坐标点
s_os(mm) -------------------------------------------------------------- 90 110 130 1501
表达式(>,2,?)“，”为英文s_is/2-1 ii,s_Ps2/2,0 mm2
s_is/2+s_hs0,s_Ps2/2 ,0 mms_is/2+s_hs0+cos( 30°) \"2 • s_hs1, s_Ps2/2+
图4简易几何模型参数快速变换3定子模型建立介绍了常用定子模型的建立，槽形以矩形槽 为例作介绍。s_hs1 • sin( 30。) • css( 30。) ,0 mm4 5
s_is/2+s_hs0+s_hs1 ,s_Ps2/2,0 mms_is/2+s_hs0+s_hs1+s_hs2,s_Ps2/2,0 mms_is/2+s_hs0+s_hs1+s_hs2,-s_Ps2/2,0 mms_is/2+s_hs0+s_hs1 , -s_Ps2/2,0 mms_is/2+s_hs0+cos( 30°) \"2 • s_hs1，-(s_Ps2/2+6 7
3・1绘制定子槽形5
,绘区草绘一个 的大致，共包括10个点,并草绘 个点。内外圆,包括28
s_hs1 • sin( 30° ) • cos( 30° )),0 mm9 10
s_is/2+s_hs0,-_Ps2/2,0 mms_is/2-1 mm, -s_Ps2/2,0 mm图5定子槽形草绘3. 2定义槽形变量据定子
具 1
定义和定子冲片相关的参数,&表1变量定义参数名称初始值1图6定子模型4转子模型建立根据需 绘PMASRM转子
7
槽口高 s_hs0/mm槽肩高s_hs1/mm槽净高s_hs2/mm槽肩宽s_Ps1/mm3
48几何模型,8
& d层磁障定 &参考3层为1098 的 个端点，通过几何关系，
槽宽 s_Ps2/mm，对 一坐标点使用函数 3&式进行定义,具
定子内径s_is/mm定子外径s_os/mm320476定子槽数n_sl723. 3编辑定子槽形坐标据表1已参数修改定子槽型每一点的坐
标，10个点(图5序与表2序对应)。3. 4定子冲片根据软件自带的工具，
的定子
已修改完成的整体图7 PMASRM转子冲片几何模型, 数 为定子槽数=_sl,冲参考该方法,可以对永磁体进行参数建模,最 通过 算, 成整个转子&—57 —的定子 经 算
研究与设计I EMCA图8第「层磁障参数定义表3转子磁障坐标点
表达式(为英文1
r_os/2-h3 ,m3_o,0 mm2
r_os/2-h3-m3_t, m3_o, 0 mm3
r_os/2-h3-m3_t,mi_o+m3_len,0 mm4 r_os/2-h3 , m3_o + m3_len, 0 mm5
r_os/2-h3 , m3_o+m3_len+m3_rib, 0 mm6 r_os/2-h3-m3_t,m3_o+m3_len+m3_rib,0 mmr_os/2-h3-m3_t,(r_os/2-bri_3 ) • sin( deg3 + deg_e3/2)7 -) ( r_os/2-bri_3) • cos( deg3 + dee_e3/2) - ( r_os/2-
h3) * • tan(deg3-deg3_u) ,0 mmr_os /2-h3 ,( r_os/2-bri_3) • sin( deg3+dee_e3/2)-8
) ( r_os/2-bri_3) • cos( deg3+deg_e3/2) -( r_os/2-
h3) * • tan(deg3-deg3_u) ,0 mm(r_os/2_bri_3 ) • cos ( deg3+dee_e3/2) , ( r_os/2-bri_3 )
• sin(deg3+dee_e3/2) ,0 mm10
( r_os/2_bri_3 ) / cos ( deg3 -deg_e3/2) , ( r_os/2-bri_3 )/ sin(deg3-deg_e3/2) ,0 mmr_os /2-h3 ,( r_os/2-bri_3) / sin( deg3 -deg_e3/2)-11
{)( r_os/2-bri_3) • cos( deg3-deg_e3/2) -( r_os/2- h3) * / tan(deg3-deg3_d) 1 ,0 mm5仿真优化分析5・1基本设置完成电机的几何建模后，按照流程完成瞬态场 前的基本设置， 9 &5.2参数优化为
述对结构的参数化分析,—58 —电札与披制应用2019,46 (12)图9仿真流程以某型号PMASRM为研究对象,基本参数如表4& 4的基本参数为 条件，对电机的几何参数进行参数化 计算，最优方案&表4某型号PMASRM基本参数参数名称参数功率/kW425最大电压/v2 343最大电流/A300起动转矩/(N・m)9 500极对数4定子电阻1/!0.156端部漏感：/mH0.27恒功转速范围/( r-min-1 1 )1
600-3 300部 3层磁 部张角deg3作为优化对象进行
&根据几何 制，初设deg3角
17.5°〜19.5°, 步 0.2°&该设置通过Optimetrics进行配置，
10所示&图 10 Optirnetics 设置对三相绕组施以正弦电流作为激励。具体表
达式为二 /moSinl -2 \"pnt电机与披制应用2019,46 （12）研究与设计I EMCA式中：#max—$相电流 ，需预先定义；部分的实现可以通过在Results/Output
Variables 中编
P——极对数，需 预先定义；式 &n---转速，需 预先定义；5. 3. 1 基速以下工作3求取@----时间；$一$内功率因数角，需预先定义&起动阶段采用最大转矩电流比（MTPA %控制
基速以下常采用MTPA控制方式。首先选取 基速下任意一转速，电流取285 A，为最大限制电
流的 0.95
，0.05 ， 46。〜53。 内扫策略，并设内功率因数角为48。，相电流有效值
内功率因数角，
最 内功率因数角为49。，取285 A&经计算
平均转矩和转矩 与张角 deg3 的 线 11 、 12
&966(96 o
4 o
日.96 2 乙 o
/960 o眾>95 8 o母95 4
6 o95 4
o95 2
O1 7
•°175
1&0 1&5
19.01920第层磁障尾部deg3/(°)图11平均转矩-deg3变化曲线3 0
(2日 5 .2 0玄)/ 廉1 5 弟1眾>
0 5
0__________________________________________17.0 17.5 1&0 1&5 19.0 19.5 20.0第层磁障尾部deg3/(°)图12转矩脉动-deg3变化曲线起动阶段以转矩 平均转矩作为衡量标&
角deg3为19。时，转矩
平均转矩 起
求&通过该方法
对其他几何参数（如磁钢宽度、
%进行参数化
， 优&5・3工作点求解不同工作点求取
包括电压、电流、功率（或转矩）、内功率因数角的计算&电流源作为激励，相电压瞬态值可以依据
式（5%进行求解：7（@ 8Rs・e@ +：s呼）+ d\"@ （5%
dd式中：Rs——定子相电阻；:S 绕组端部漏感；e方）——定子相电流
；\"（— 磁链&13
&9
6109605(
日9600.9595玄)/9590眾>95859580母4
957595709
565
454748 49 505253
内功率因数角/（。）图13转矩-内功率因数角在电流和内功率因数不变条件下，对转速在
0-600 r/min（基速% 内进行 计算，并绘制曲线，如图14
&12 00010 0006 o c o4 o o c o2OC o
OO
图14基速以下特 线5. 3. 2 基速以上工作3转速 基速 ，电机进入弱磁控制阶& 阶段存在多变量，通过对电流以及内功率因数角2个变量同时进行扫描计算，
同条件电压与转矩时对应的电流与内功率因数角& 设置转速为3 300 r/min，电流扫非104.5〜107.0 A，内功率因数
77。〜78。&仿真计算
取转矩-内功率因数曲线和线电压-内功率因数曲线 15、 16
& 2条曲线同 电压2 343 V以及转矩1 230 N・m（425 kW）的电流及内功率因数角， 为106 A，
77.36。。复上述方法，以电压和转矩（或功率%为约 条件计算并
不同转速下电流及内功率因—59 —研究与设计I EMCA电札与披制应用2019,46 (12)(1) 结构参数化有助于对电机的各个参数进(mN)/^>
行优化，提高电机优化 &(2) 参数化建模方法具有通用性、 鉴
性，设计 据需要，设计 多样性的
电机结构,并根据几何关系对结构进行参数化,并
77.01
77.20 77.40 77.60进行参数寻优,完成优化设计。【参考文献】:1 :赵争鸣•新型同步磁阻永磁电机发展及现状)J]・电
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版收稿日期:2019-09-11—60 —
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