王 抗， 鄧先明， 張志國

(中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州 221008)

0 引言

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高、電機(jī)形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應(yīng)用。我國稀土資源豐富，儲量占全球的75%，號稱“稀土王國”。大力研究和推廣永磁電機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，對提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。在永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)中，定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體的安放形式方法各異，造成的結(jié)果就是其分析計(jì)算的復(fù)雜性要超過異步電機(jī)。大功率傳動系統(tǒng)迫切需要高效可靠的大功率永磁同步電機(jī)，但對于該電機(jī)的研發(fā)，現(xiàn)在還缺少必要的設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐［2］。

表面式永磁同步電機(jī)是結(jié)構(gòu)最為簡單的永磁同步電機(jī)，與永磁體內(nèi)置式永磁同步電機(jī)相比，能夠提高轉(zhuǎn)子表面的平均磁密，是目前應(yīng)用最廣泛的一種永磁電機(jī)，但是其轉(zhuǎn)子上沒有繞組結(jié)構(gòu)，不具備異步起動能力，在調(diào)速過程中動態(tài)響應(yīng)能力較差。本文設(shè)計(jì)出具有起動能力的表面式永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)置式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該電機(jī)結(jié)構(gòu)就是在表面式永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)體，使得電機(jī)在起動過程中，可以利用導(dǎo)體繞組形成的籠型繞組產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)異步起動。它無需變頻器即可直接由工頻電源起動，有著較高的應(yīng)用前景。

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 主要尺寸比的選擇

由于永磁同步電機(jī)內(nèi)部要放置永磁體，因此要盡可能選擇小的主要尺寸比，使轉(zhuǎn)子的徑向尺寸較大，從而提供較大的空間來安放永磁體［1］。

1.2 電機(jī)氣隙尺寸的選擇

對于永磁同步電機(jī)來說，電機(jī)的氣隙長度對其性能的影響沒有異步電機(jī)那么強(qiáng)烈，電機(jī)的功率因數(shù)可以通過調(diào)整永磁體的用量來改變。為了便于安裝永磁體，也希望電機(jī)的氣隙能夠大一些，因此相比于異步電機(jī)，氣隙的寬度可以稍稍放大0.1～0.2 mm［1］。

1.3 電機(jī)定轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

定子的槽型和尺寸對電機(jī)的漏抗、槽滿率、齒部磁密、軛部磁密和機(jī)械強(qiáng)度都有著較大影響［3］，所選擇的定子槽型，其槽滿率要合適，齒部磁密和軛部磁密要適當(dāng)，同時要滿足電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度。在綜合考慮了這些要求之后，定子槽選擇了已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的梨型槽［4］。

轉(zhuǎn)子槽的選擇要綜合考慮電機(jī)的起動性能、牽入同步性能、齒部磁密、軛部磁密和轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度等?；\型是電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的重要保證，但是由于該永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽分布于永磁體之下，如果電機(jī)的端環(huán)面積小，易于出現(xiàn)斷條等故障。

由于電機(jī)轉(zhuǎn)子上附加有永磁體，電機(jī)的轉(zhuǎn)子不能斜槽，故可以考慮在電機(jī)的定子上采用斜槽措施來減小電機(jī)的雜散損耗，也將減少電機(jī)的噪聲和振動，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

1.4 永磁體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)，其永磁體的形狀為矩形，在設(shè)計(jì)過程中主要考慮的是每極永磁體的總寬度和永磁體的充磁方向厚度。

在永磁體用量盡可能少的情況下，應(yīng)當(dāng)保證永磁體無論工作在何種惡劣的條件之下，不會發(fā)生永久性的不可逆去磁，保證永磁體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時有合理的工作點(diǎn)。由于永磁體充磁方向的長度會影響電機(jī)的直軸磁阻，在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

每極永磁體的寬度決定了每極永磁體產(chǎn)生的磁通量，從而影響了每相繞組的感應(yīng)電動勢，應(yīng)使得永磁同步電機(jī)每相繞組的感應(yīng)電動勢小于并接近于外加相電壓，同時保證電機(jī)磁密處于一個合理的范圍之內(nèi)。

1.5 電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)

電機(jī)詳細(xì)參數(shù)如下:電機(jī)額定功率 PN=30 kW;相數(shù)m=3;額定線電壓UNl=380 V;額定頻率f=50 Hz;極對數(shù)P=2;額定效率ηN=98%;額定功率因數(shù) cos φN=0.95;額定轉(zhuǎn)速 nN=1 500 r/min;額定電流 IN=48.96 A;額定轉(zhuǎn)矩TN=190.98 N·m;氣隙長度 δ=0.07 cm;定子外徑 D1=43.26 cm;定子內(nèi)徑 Di1=28.5 cm;轉(zhuǎn)子外徑D2=28.36 cm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Di2=10 cm;定轉(zhuǎn)子鐵心長度L1/L2=21 cm/21 cm;定轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q1/Q2=72/54;永磁體磁化方向長度 hM=0.42 cm;永磁體寬度 bM=18.6 cm;永磁體軸向長度LM=21 cm;定子齒距t1=1.244 cm;定子齒寬 bt1=0.550 8 cm;定子軛高 hj1=4.88 cm;轉(zhuǎn)子齒距 t2=1.65 cm;轉(zhuǎn)子軛高度 hj2=7.933 cm;每槽導(dǎo)體數(shù)Ns=14;線徑d1=1.6 mm;槽滿率Sf=77.78%;節(jié)距 y=16;氣隙磁密 Bδ=0.660 1 T;定子齒磁密 Bt1=1.492 T;定子軛磁密 Bj1=1.614 T;轉(zhuǎn)子齒磁密 Bt2=0.895 9 T;轉(zhuǎn)子軛磁密Bj2=1.458 T;定子直流電阻 R1=0.032 2 Ω;轉(zhuǎn)子折算電阻 Rr=0.082 26 Ω;定子漏抗 X1=0.115 16 Ω;轉(zhuǎn)子漏抗 X2=0.139 9 Ω;直軸同步電抗 Xd=2.262 Ω;交軸同步電抗 Xq=5.975 Ω;鐵耗 PFe=0.993 kW;雜散損耗 Ps=0.231 9 kW;失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)T*po=2.148。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元仿真

2.1 轉(zhuǎn)子及永磁體結(jié)構(gòu)的研究

相比于矩形永磁體，瓦片型永磁體的制造較為困難，其充磁的難度也較大，如果利用平行充磁的矩形永磁體代替徑向充磁或是Halbach充磁的永磁體，而使得電機(jī)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，將簡化電機(jī)的生產(chǎn)制造，降低電機(jī)的成本，提高永磁電機(jī)的市場競爭力，有利于永磁電機(jī)的推廣使用。

依據(jù)前文所述的永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，每極下的永磁體寬度bM=18.6 cm，對于本文分析的電機(jī)而言，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的每個磁極由一個永磁體構(gòu)成，即電機(jī)每極下采用一塊長、寬、高為21 cm×18.6 cm×4.2 cm的永磁體制造，所獲得的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 每極單一永磁體電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)的空載磁場是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，其大小和分布直接決定了空載磁場每極基波磁通值的大?。?］，進(jìn)而對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率及工作特性等起著決定性的作用。

利用有限元軟件可以對該電機(jī)進(jìn)行建模和仿真，利用Path Operation命令可以獲取轉(zhuǎn)子氣隙磁場的磁通密度分布結(jié)果，并通過List文件將其值導(dǎo)入MATLAB軟件，對其進(jìn)行傅里葉分析處理，其結(jié)果如圖3(a)和3(b)所示。

由以上氣隙磁密分布可知，該電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的氣隙磁密值過低，遠(yuǎn)低于預(yù)期值Bav=0.66 T，由電機(jī)氣隙磁密諧波的分析可知，其基波的含量不足，而對電機(jī)運(yùn)行有害的諧波含量很高，以上問題的產(chǎn)生在于電機(jī)永磁體面對的氣隙寬度太大，減小氣隙的寬度，就能提高電機(jī)的性能。也就是說要使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心尺寸盡可能占據(jù)定子內(nèi)部的空間。在該思路下，將每極的永磁體分為相同的兩段或更多段，并且盡量減小電機(jī)的氣隙寬度，對于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模與仿真，并分析其氣隙磁密的分布，結(jié)果如圖4～圖6所示。

隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)中每極下永磁體段數(shù)的增加，每一段永磁體所面對的氣隙寬度逐漸減小，電機(jī)氣隙的平均氣隙磁密得到了提高。電機(jī)結(jié)構(gòu)中每極下永磁體的個數(shù)為3時，轉(zhuǎn)子的形狀為正12邊形。此時電機(jī)氣隙磁密的平均值提高為0.637 T，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)值。

圖3 每極單一永磁體電機(jī)氣隙磁密

圖4 每極兩段式與三段式永磁體電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)一步提高電機(jī)每極下永磁體段數(shù)，可以進(jìn)一步提高電機(jī)的性能，但是提高的幅度有限，而且增加了電機(jī)制造的難度，在基本滿足電機(jī)設(shè)計(jì)性能的情況下，選擇每極下永磁體的段數(shù)為3段。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析該轉(zhuǎn)子的氣隙諧波磁場，氣隙磁密波的3次、5次、11次諧波的含量較高。對于5次諧波，在電機(jī)設(shè)計(jì)中，可以通過定子斜槽的方法來消除，但是對于電機(jī)氣隙磁密中的3次諧波，卻沒有控制上的有效手段將其消除，需要對電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖5 每極兩段式與三段式永磁體電機(jī)氣隙磁密分布

圖6 每極兩段式與三段式永磁體電機(jī)氣隙磁密諧波

改進(jìn)電機(jī)氣隙磁密波形的思路是降低波形兩側(cè)的磁通密度值，或者是提高波形中心處的磁通密度值，使得電機(jī)氣隙磁密波形中的基波含量得以提高，并對其中的三次諧波產(chǎn)生抑制作用，如圖7所示。

圖7 矩形波諧波含量改善示意圖

對于連續(xù)分布的永磁體而言，其一極下中間段的永磁體不會出現(xiàn)分布于一極下兩側(cè)永磁體所必然出現(xiàn)的漏磁現(xiàn)象，即兩側(cè)永磁體所產(chǎn)生的磁通密度將由于漏磁的原因而低于中間段的永磁體所產(chǎn)生的磁通密度，這正是所希望達(dá)到的效果。所設(shè)計(jì)的新電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示，為每極永磁體集中式同步電機(jī)。

圖8 每極永磁體集中式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

對于該特殊結(jié)構(gòu)的永磁體面貼式同步電機(jī)，最令人關(guān)心的問題就是其空載氣隙磁密分布是否能夠有所改善。利用ANSYS軟件對此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模與仿真。

對比分析每極三段式永磁體同步電機(jī)和每極永磁體集中式同步電機(jī)的氣隙磁密諧波結(jié)果，如圖9和圖10所示，其中的高次諧波分量得到了很大程度的抑制，9次以上諧波的含量大大減少了。

圖9 每極永磁體集中式同步電機(jī)氣隙磁密分布

圖10 每極永磁體集中式同步電機(jī)氣隙磁密諧波

氣隙磁密基波的含量有了一定的增加，其值提高了4.03%。同時，3次諧波的含量減少了12.12%，5次諧波的含量減少了34.48%，電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙的磁密分布有了顯著改善。

3 新電機(jī)功角特性

利用傳統(tǒng)的路的計(jì)算方法，可以計(jì)算出不同功角之下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

其中的許多系數(shù)需要利用電磁計(jì)算和試驗(yàn)得出。永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)非常多樣，當(dāng)進(jìn)行新結(jié)構(gòu)的電機(jī)設(shè)計(jì)時，路的方法就難以滿足計(jì)算精度的要求，這時就需要用電磁場數(shù)值計(jì)算的方法來研究電機(jī)的性能。

電機(jī)作為一種機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換裝置，其工作時的輸出轉(zhuǎn)矩是一個重要的量。利用ANSYS軟件，可以直接利用虛功力方法獲得電機(jī)在不同功角下的輸出轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同永磁電機(jī)功角特性曲線的比較

由功角特性曲線可以證明新轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢，在使用相同量的永磁材料的情況下，永磁電機(jī)在額定工作點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到了323.4630 N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了理論計(jì)算值190.98 N·m。新電機(jī)在整個工作范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩都超過了或達(dá)到了理論設(shè)計(jì)值。

由永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由兩個部分組成的，一是由永磁磁場和定子磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩;二是由于交軸和直軸磁阻不等而引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。

對于每極永磁體集中式同步電機(jī)而言，由于永磁體集中分布，造成了電機(jī)交軸和直軸磁阻相差較大。由于永磁同步電機(jī)的直軸電抗小于交軸電抗，電磁轉(zhuǎn)矩的最大值相對應(yīng)的功角將會大于90°，分析新電機(jī)功角特性曲線，本文電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在超過100°的位置，這與理論計(jì)算的結(jié)果118.6°基本吻合。

在整個功角特性的范圍內(nèi)，新電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都有了明顯提高，這是氣隙磁密基波含量提高的必然結(jié)果。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，還附加了一個額外的磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生有利于提升永磁同步電機(jī)的過載能力，使得電機(jī)獲得一個更大的失步轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié)語

本文依據(jù)常規(guī)異步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合永磁電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺30 kW、具有自起動能力的面貼式永磁同步電機(jī)，對于電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體安放結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過仿真，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。永磁電機(jī)的功角特性對于永磁傳動系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，本文利用有限元軟件ANSYS獲取了不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的功角特性，證明了新轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的良好性能，并且該電機(jī)具備了普通面貼式永磁同步電機(jī)所不具備的異步起動能力。

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