李芳玲，楊俊華，劉景輝，黃開(kāi)勝，陳思哲

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006;2.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽(yáng)550008)

0 引 言

注塑機(jī)又名注射成型機(jī)或注射機(jī)，是各種塑料制品的主要成型設(shè)備。為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，注塑機(jī)行業(yè)越來(lái)越多采用電動(dòng)注塑機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、輸出扭矩大，能耗低、精度高，在電動(dòng)注塑機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越多［1］。但注塑機(jī)電機(jī)一般采用變頻器供電，定子電流諧波含量高，負(fù)載和轉(zhuǎn)速亦為周期性變化，負(fù)載時(shí)，時(shí)變諧波電流產(chǎn)生的定子諧波磁場(chǎng)和永磁體產(chǎn)生的空間諧波磁場(chǎng)相互作用，會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，如何降低電機(jī)噪聲，是注塑機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須面對(duì)的問(wèn)題。目前有國(guó)內(nèi)學(xué)者采用定轉(zhuǎn)子槽配合、定子斜槽、加大氣隙長(zhǎng)度等方法，降低三機(jī)異步電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲［2－3］，而專(zhuān)門(mén)針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的研究并不多。文獻(xiàn)［4］采用場(chǎng)－路－運(yùn)動(dòng)耦合的時(shí)步有限元方法分析了異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子雙側(cè)開(kāi)槽時(shí)的諧波磁場(chǎng)，建立兩種時(shí)步有限元計(jì)算模型對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行分析，結(jié)果表明負(fù)載穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線存在明顯波動(dòng)。文獻(xiàn)［5］建立了時(shí)變運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)有限元模型，對(duì)比分析開(kāi)槽深度、寬度和槽數(shù)等永磁體不同程度開(kāi)槽磁極對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，認(rèn)為適當(dāng)?shù)拇艠O開(kāi)槽可有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)［6－7］研究了永磁電機(jī)通過(guò)齒冠開(kāi)槽抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，但未給出不同輔助槽型對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)［8］通過(guò)有限元法研究了不同結(jié)構(gòu)的輔助槽對(duì)應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩、定子齒開(kāi)槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，認(rèn)為合理設(shè)計(jì)輔助齒的尺寸和槽型可有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩;文獻(xiàn)［9］研究了一臺(tái)10 極12 槽永磁電機(jī)，通過(guò)開(kāi)輔助槽抑制定位力矩，在矩形槽、三角形槽、半圓形槽三種輔助槽形中，矩形槽效果較為明顯。文獻(xiàn)［10］研究在轉(zhuǎn)子鐵心q 軸開(kāi)槽口對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩諧波的影響，認(rèn)為可削弱6 次諧波分量。

本文研究了一種新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的注塑機(jī)用永磁電動(dòng)機(jī)，通過(guò)在轉(zhuǎn)子上打孔、開(kāi)槽，優(yōu)化磁鋼形狀，降低電機(jī)振動(dòng)和噪聲，給出主要設(shè)計(jì)思路，完成了電磁設(shè)計(jì)方案。利用ANSYS Maxwell 軟件建立了電機(jī)的二維有限元仿真模型，仿真電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能;試制樣機(jī)并完成了電機(jī)的性能測(cè)試、溫升、過(guò)載、噪聲等試驗(yàn)，空載噪聲54 dB，負(fù)載噪聲59 dB，未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)和電磁噪聲，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 主要尺寸的確定

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo):UN=310 V，PN=17.3 kW，Nn=1 500 r/min，IN=33 A，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)≥1.8，噪聲值≤70 dB，不能出現(xiàn)明顯的電磁噪聲。

1.2 電機(jī)主要尺寸的確定

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)基本理論［11］，電機(jī)的主要尺寸和計(jì)算功率、轉(zhuǎn)速、電磁曲負(fù)荷有關(guān)，即:

式中:定子內(nèi)徑Di1=110 mm;計(jì)算鐵心長(zhǎng)度L;計(jì)算功率P' =1.1PN=19.03 KW;計(jì)算極弧系數(shù)αP=0.7，氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)KNM，正弦波磁場(chǎng)取1.11，8 極36槽，跨距取5，繞組系數(shù)Kdp=0.945。所設(shè)計(jì)的電機(jī)自帶散熱風(fēng)扇，故線負(fù)載A 可稍大些，為400 A/cm，永磁材料采用高剩磁、高矯頑力的釹鐵硼永磁體N35UH，氣隙磁密Bσ=0.9 T。為提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，設(shè)計(jì)時(shí)考慮取較大的主要尺寸比，轉(zhuǎn)子外徑取107. 4 mm，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度取240 mm，參考已有系列的電機(jī)外徑尺寸，外徑取175 mm。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度一般大于同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)［12］，氣隙大小對(duì)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲有很大影響，同時(shí)會(huì)影響電機(jī)的弱磁調(diào)速能力。參考同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)氣隙并結(jié)合已有樣機(jī)氣隙大小，取1.3 mm。

1.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計(jì)

由于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)相鄰磁極下所占有的槽數(shù)不相等，導(dǎo)致氣隙磁密波形不對(duì)稱分布。永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)含有豐富的奇、偶次諧波，甚至分?jǐn)?shù)次諧波，與電樞磁場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生大量的徑向電磁力波，引起定子鐵心形變，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲［12－13］。為減小氣隙磁密的諧波含量，增加氣隙磁場(chǎng)的對(duì)稱性，需要優(yōu)化磁鋼形狀。

表貼凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)［12］，為使電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形趨于正弦波，采用此結(jié)構(gòu)，磁鋼偏心距取18 mm，極弧系數(shù)取0.89。

考慮到電機(jī)的伺服性能和噪聲要求［13］，采用打孔和開(kāi)槽式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這既可進(jìn)一步減小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，也可改善氣隙磁密波形和增大等效氣隙長(zhǎng)度，降低氣隙磁密幅值［14］，削弱齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。氣隙磁密由下式計(jì)算［12］:

式中:Br(θ)，δ(θ，α)，hm(θ，α)分別為永磁體剩磁、有效氣隙長(zhǎng)度、永磁體充磁方向長(zhǎng)度。在轉(zhuǎn)子上打孔、開(kāi)槽，相當(dāng)于等效地增大了氣隙長(zhǎng)度，δ(θ，α)增大使得B(θ，α)減小。不考慮定子斜槽時(shí)，進(jìn)一步可得:

式中:Tcog(α)為齒槽轉(zhuǎn)矩;G0，Gn為傅里葉展開(kāi)式的系數(shù);La，R1，R2，z 分別為電樞鐵心軸向長(zhǎng)度、電樞內(nèi)半徑、槽數(shù);n 為使為整數(shù)的整數(shù)。從式(3)可知，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)隨氣隙長(zhǎng)度的增大而減小，從而可降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但氣隙磁密減小的同時(shí)也會(huì)削弱電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子沖片和磁鋼形狀如圖1、圖2 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子沖片

圖2 磁鋼形狀

電機(jī)其它設(shè)計(jì)參數(shù)，磁鋼厚度3.5 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑48 mm，每槽導(dǎo)體數(shù)14，雙層疊繞組。

2 電動(dòng)機(jī)有限元仿真分析

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)二維有限元模型

利用ANSYS 中的Maxwell 2D 模塊建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的二維有限元模型，如圖3 所示。

圖3 電機(jī)二維模型

建模過(guò)程如下:

(1)根據(jù)參數(shù)畫(huà)出電機(jī)模型圖;(2)確定電機(jī)的各種材料屬性;(3)確定邊界條件，設(shè)置有限元剖分大小、添加激勵(lì)源;(4)設(shè)置銅損耗、鐵耗、渦流損耗等;(5)設(shè)置負(fù)載、求解步長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)邊界等［11］。

2.2 氣隙磁密

在Maxwell 2D 模型中，將定子繞組電流設(shè)為零，這樣即可得到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)波形，經(jīng)由傅里葉級(jí)數(shù)分解成各次諧波。氣隙磁密和氣隙磁密諧波分解如圖4、圖5 所示，諧波幅值如表1 所示。

圖4 氣隙磁密圖

圖5 氣隙磁密諧波分解圖

表1 空載轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波次數(shù)及幅值(只計(jì)算到轉(zhuǎn)子二階齒諧波)

每極每相槽數(shù):

2.3 徑向力波計(jì)算

力波計(jì)算表由r = μ+ν 計(jì)算，如表2 所示。分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波較多，但從表2 中看出，通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和優(yōu)化磁鋼形狀，轉(zhuǎn)子的諧波含量減小，定轉(zhuǎn)子諧波產(chǎn)生的徑向力波個(gè)數(shù)減小。通常而言，定子鐵心彎曲變形量正比于力波幅值，反比于力波次數(shù)的四次方，故表2 中的4 階以上力波可忽略不計(jì)。

表2 主要力波計(jì)算表

3 電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩仿真分析

由諧波電流和轉(zhuǎn)子永磁體相互作用產(chǎn)生紋波轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子上開(kāi)槽時(shí)，氣隙長(zhǎng)度等效增大，磁路磁阻增大，外磁路總磁導(dǎo)減小，引起紋波轉(zhuǎn)矩減小，但同時(shí)也會(huì)降低基本電磁轉(zhuǎn)矩。圖6、圖7 為開(kāi)槽與不開(kāi)槽時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩。

圖中實(shí)線表示開(kāi)槽，虛線代表個(gè)不開(kāi)槽。由圖6、圖7 可知，開(kāi)槽時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值只有不開(kāi)槽時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩峰值的1/3，電磁轉(zhuǎn)矩及其脈動(dòng)率也均小于不開(kāi)槽時(shí)。

圖6 開(kāi)槽與不開(kāi)槽齒槽轉(zhuǎn)矩

圖7 開(kāi)槽與不開(kāi)槽電磁轉(zhuǎn)矩

4 樣機(jī)試驗(yàn)及對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)的電磁方案制作了樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)樣機(jī)和伺服控制器如圖8、圖9 所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

圖8 試驗(yàn)樣機(jī)

圖9 伺服控制器

表3 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

從表3 可看出，樣機(jī)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，誤差小于5%，在工程允許范圍內(nèi)。噪聲值和過(guò)載倍數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)正確性。

4.1 樣機(jī)噪聲測(cè)試值對(duì)比

與原電機(jī)相比，改進(jìn)后樣機(jī)空載和負(fù)載實(shí)測(cè)噪聲降低近6 dB，測(cè)試過(guò)程中電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)和電磁噪聲，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 樣機(jī)噪聲測(cè)試值及對(duì)比

4.2 樣機(jī)過(guò)載能力

電機(jī)過(guò)載能力設(shè)計(jì)要求:750 r/min 時(shí)2 倍額定轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到1.8 倍，2 000 r/min 時(shí)1.5倍。實(shí)測(cè)試結(jié)果:750 r/min 時(shí)2. 1 倍額定轉(zhuǎn)矩，1 500 r/min 時(shí)2.04 倍，2 000 r/min 時(shí)1.78 倍，達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求。最大轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)值如表5 所示，對(duì)比曲線如圖10 所示。

表5 不同轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)值與仿真值

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款8 極36 槽、1 500 r/min 的注塑機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了樣機(jī)制造和試驗(yàn)。

分析了電機(jī)主要尺寸的確定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁鋼形狀的選擇。利用ANSYS Maxwell 軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模和有限元仿真，進(jìn)行徑向力波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析，樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值較為吻合;電機(jī)的噪聲和過(guò)載倍數(shù)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的電磁噪聲。小批量生產(chǎn)的電機(jī)，已應(yīng)用于注塑機(jī)中，效果良好。從改進(jìn)前后樣機(jī)的噪聲對(duì)比可看出，轉(zhuǎn)子表面開(kāi)槽可有效降低電機(jī)振動(dòng)和噪聲，為注塑機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

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