1、基于基于ANSYS的异步起动永磁同步的异步起动永磁同步电电动动机机 起动性能仿真计算起动性能仿真计算异步起动永磁同步电动机异步起动永磁同步电动机(LSPMSM)的特点的特点异步电动机异步电动机限制起动电流限制起动电流LSPMSM起动性能设计难点起动性能设计难点降压起动降压起动异步起动永磁同步电动异步起动永磁同步电动机机，由，由于于：异步转矩与异步转矩与U2成正比成正比发电制动转矩导致低转发电制动转矩导致低转速速时最时最小小转矩转矩转子槽型的优化设计转子槽型的优化设计全压起动全压起动提高起动转矩提高起动转矩提高起动品质因数提高起动品质因数降低起动电流降低起动电流磁路结构复杂、电感参磁路结构复杂、
2、电感参数数计算计算困困难难2磁路法难以对电机起动磁路法难以对电机起动性性能进行能进行精确设计精确设计解析法所得典型解析法所得典型LSPMSM平均平均转转矩矩-转差转差率率曲曲线线 Ta：异步转矩异步转矩 Tb：磁阻负序分量转矩：磁阻负序分量转矩 Tg：发电制动转矩发电制动转矩 Tav：总平均转矩总平均转矩 理想条件下转理想条件下转矩矩-转差率曲线忽略转差率曲线忽略 磁路饱和、磁场谐波和集肤效应的磁路饱和、磁场谐波和集肤效应的 影响，为一光滑曲线。影响，为一光滑曲线。3一般一般LSPMSM起起动动过程过程瞬瞬态转态转矩矩-转转速曲速曲线线T-n 有限元仿真综合考有限元仿真综合考 虑了磁路饱和、磁
3、虑了磁路饱和、磁 场谐波、集肤效应场谐波、集肤效应 等影响，转矩曲线等影响，转矩曲线 波动剧烈。波动剧烈。4本文利用本文利用ANSYS/Maxwell2D有有限元限元仿仿真软真软件件，以，以一一台台1.5kW- 2极极LSPMSM为为例，例，分分别计别计算算该电该电机机以下以下起起动性动性能能参数参数：5 一、起动转矩一、起动转矩Tst和起动电流和起动电流Ist 二、起动过程中的最小转矩二、起动过程中的最小转矩Tmin 三、牵入同步能力，即临界牵入同三、牵入同步能力，即临界牵入同步步J-TL曲线曲线一、基于一、基于Maxwell的的起起动转矩动转矩Tst和和起动起动电电流流Ist的的计计算算
4、起动转矩即起动转矩即T-s曲线上曲线上s=1时刻对应的转矩，可通过堵转仿真求取。时刻对应的转矩，可通过堵转仿真求取。1.5kW-2极电机有限元模型极电机有限元模型6设置转速设置转速为为0rpm设置求解定、转设置求解定、转子铁子铁心心损损耗耗7对转子导条进行对转子导条进行涡流涡流效效应设应设置置、集、集肤肤效应效应透透入深入深度度设设置置8设置定子绕组与设置定子绕组与激励激励源源参参数数9设置转子端环电设置转子端环电阻、阻、电电感参感参数数，利，利用用Rmxprt等等路路算算程程序序计计算算10电机极数电机极数机械角度范围机械角度范围每点间隔度数每点间隔度数总计总计算算点数点数三三相相6极极20
5、内内46点点三三相相4极极30内内6三三相相2极极60内内12不同极数电机堵转仿真取点方不同极数电机堵转仿真取点方法法参考堵转试验标准，参考堵转试验标准，选取转选取转子子d轴与定子轴与定子A相绕相绕组轴线对齐时为第一个起动点，对于组轴线对齐时为第一个起动点，对于2极电机，极电机，在在60范围内选取多个起动点对电机的堵转转矩范围内选取多个起动点对电机的堵转转矩Tst和堵转电和堵转电流流Ist进行参数化仿真计算。进行参数化仿真计算。转子初始位置角参数化扫描设转子初始位置角参数化扫描设置置111.5kW-2极样机堵转转矩极样机堵转转矩Tst参参数数化仿化仿真真结果结果1.5kW-2极样机堵转电流极样
6、机堵转电流Ist参数化参数化仿仿真结果真结果堵转转矩堵转转矩Tst ：待转矩波形稳定后，求一个 周期的平均值AVG，并取其 中的最小值为13Nm。堵转电流堵转电流Ist ：待电流波形稳定后，求一个 周期的三相电流有效值 RMS的平均值，并取其中 的最大值为17.9A。12二、基于二、基于Maxwell的的起起动动过过程程中的中的最最小转小转矩矩Tmin计计算算 仿真起动过程转矩波动剧烈，难以直接仿真起动过程转矩波动剧烈，难以直接从从T-n曲线上读取最小转曲线上读取最小转矩矩Tmin 转子初始位置角、电压相位角对仿真结果影响也较大转子初始位置角、电压相位角对仿真结果影响也较大理想条件下理想条件下
7、T-s曲线曲线13实际仿真所得实际仿真所得T-n曲线曲线为了克服以上困难，现假为了克服以上困难，现假设设电机带远大于自身转动惯量的负载设备电机带远大于自身转动惯量的负载设备空载起动，由于整个起动过程非常缓慢，可认为电机在各异步转速下空载起动，由于整个起动过程非常缓慢，可认为电机在各异步转速下 稳定运行，起动结束后得到起动过程的瞬态转矩与时稳定运行，起动结束后得到起动过程的瞬态转矩与时间间T-t曲线，对曲线，对 该曲线进行一定的数据处理，可得该曲线进行一定的数据处理，可得到到平滑曲线，从平滑曲平滑曲线，从平滑曲线线上读出上读出电电 机起动过程中的最小转矩机起动过程中的最小转矩Tmin14Init
8、ial Angular Velocity:：初始转速初始转速Moment of Inertia： 转子和负载转动惯量之和转子和负载转动惯量之和 Damping：阻尼系数，机械损耗：阻尼系数，机械损耗/(角速度角速度)2 Load Torque：负载转矩，为负值负载转矩，为负值15电机起动仿真运动设置电机起动仿真运动设置 设置负载惯量为设置负载惯量为60倍电倍电机机自身自身转转动惯动惯量量，空，空载载起动起动，仿真仿真得得到瞬到瞬态态转矩转矩与与时间时间T-t曲曲线线16起动过程转起动过程转速速与与时间时间曲曲线线n-t17A相电流与时相电流与时间间曲曲线线18瞬态转矩与瞬态转矩与转速转速曲曲线
9、线T-n19利用利用Matlab对瞬态转矩与时间曲线对瞬态转矩与时间曲线T-t进行进行10次多项式拟合，拟合曲线次多项式拟合，拟合曲线在在0.5s左右左右 处出现下凹，此时转差率处出现下凹，此时转差率s为为0.75左右，读取此处最小值即为电机最小转左右，读取此处最小值即为电机最小转矩矩Tmin ，为，为 8.6Nm用用Matlab对瞬态转矩与时间对瞬态转矩与时间T-t曲曲线进线进行行拟合拟合20三、基于三、基于Maxwell的的牵牵入同入同步步能力能力计计算算 电机牵入同步能力由临界电机牵入同步能力由临界 牵入同步曲牵入同步曲线线J-TL表征：该表征：该 曲线为不同负载转矩下，曲线为不同负载转
10、矩下， 电机可以牵入同步的不同电机可以牵入同步的不同 的最大转动惯量。的最大转动惯量。0.5011.522.500.511.522.5JTL/Tn临界牵入同步临界牵入同步J-TL曲线曲线系列1乘幂(系列1)21设置一定负载转设置一定负载转动惯动惯量量，并，并对对负载负载转转矩进矩进行行参数参数化化扫扫描描22设置负载转动惯设置负载转动惯量量为为1.5倍倍电机电机自自身惯身惯量量，对，对负负载转载转矩矩进行进行参参数数 化扫描，当负载化扫描，当负载转矩转矩为为-6.25Nm时时，电机电机刚刚好可好可牵牵入同入同步步 带带1.5倍自倍自身身转动转动惯惯量、量、不不同负同负载载起动起动过过程转程转速
11、速-时间时间曲曲线线n-t23总结总结 1.通过对电机的堵转状态进行瞬态场仿真，得通过对电机的堵转状态进行瞬态场仿真，得到到LSPMSM的起动转的起动转矩矩Tst和和起起 动电流动电流Ist 2.通过进行大转动惯量，空载起动仿真，得通过进行大转动惯量，空载起动仿真，得到到LSPMSM瞬态转矩瞬态转矩-时间曲线时间曲线T- t，对该曲线进行多形式拟合得到平滑曲线，从平滑曲线上读取最小转矩对该曲线进行多形式拟合得到平滑曲线，从平滑曲线上读取最小转矩 Tmin 3.通过固定负载转动惯量，在一定范围内参数化负载转矩，得到临界牵入通过固定负载转动惯量，在一定范围内参数化负载转矩，得到临界牵入 同步同步J-TL曲线上的一点，进而可求得整条曲线曲线上的一点，进而可求得整条曲线2425感谢聆听感谢聆听
