黃光建，吳幫超，方超

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510006)

外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

黃光建，吳幫超，方超

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510006)

設(shè)計(jì)了一款167r/min、36槽30極、11.6kW的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)。利用ANSYS/Maxwell有限元分析軟件建立了該款電動(dòng)機(jī)的二維有限元仿真模型，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩、定轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)、輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真，對(duì)徑向力波進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該款電動(dòng)機(jī)的力波次數(shù)均為0，有利于降低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲。在工程實(shí)踐上具有一定的參考價(jià)值。

外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；齒槽轉(zhuǎn)矩；氣隙磁場(chǎng)；徑向力波

0 引言

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠；體積小、質(zhì)量輕；損耗少、效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域[1]。

外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)與普通的永磁同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上相反，是一種轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。其既具有永磁同步電動(dòng)機(jī)定子激磁電流小，力能指標(biāo)高、易于調(diào)速和節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，又具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、散熱好、節(jié)省銅線、電動(dòng)機(jī)的效率和輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)。曳引機(jī)作為電梯傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分,驅(qū)動(dòng)電梯的動(dòng)力源,電動(dòng)機(jī)的發(fā)展水平直接決定著電梯的高級(jí)程度,其性能直接影響電梯的起動(dòng)、制動(dòng)、加減速度、平層精度和乘坐舒適性等指標(biāo)[2]。對(duì)外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的尺寸、齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁噪聲等提出新的要求。因此，合理的電機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)于較大功率的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一款167r/min、36槽30極、335V、11.6kW的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，給出了詳細(xì)的電磁設(shè)計(jì)過(guò)程，確定了電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)，并且利用ANSYS/Maxwell有限元仿真軟件建立了該款電動(dòng)機(jī)的二維有限元仿真模型，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩、定轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)、輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真，對(duì)徑向力波進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該款電動(dòng)機(jī)能夠降低電機(jī)的振動(dòng)與噪聲。

1 外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)確定

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本方案的電動(dòng)機(jī)額定電壓UN=335V,額定功率PN=11.6kW，額定轉(zhuǎn)速nN=167r/min,額定電流IN=21A，效率η=90%。

1.2 電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定

根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理，電動(dòng)機(jī)主要尺寸包括定子外徑Di1和鐵心長(zhǎng)度L，尺寸和計(jì)算功率P、轉(zhuǎn)速nN、電磁負(fù)荷A等參數(shù)有關(guān)[3]。

(1)

式中，計(jì)算功率P=1.15×PN=13.34kW；額定轉(zhuǎn)速nN=167r/min；極弧系數(shù)αi=0.8；氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)Kφ；正弦波磁場(chǎng)取1.11；基波繞組系數(shù)KW，本電磁方案采用集中繞組形式，故取為0.966，電負(fù)荷A=400A/cm，永磁材料為釹鐵硼，它剩磁高，故氣隙磁密平均值Bδ=0.78，綜合考慮實(shí)際客觀因素，本電磁設(shè)計(jì)方案取Di1=450mm，L=83mm。

1.3 磁性材料的選擇

對(duì)于永磁電機(jī)而言，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸相同，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密成正比，而氣隙磁密與磁性材料密切相關(guān)。目前，永磁電機(jī)所采用的磁性材料主要是釹鐵硼和鐵氧體。釹鐵硼永磁材料是目前磁性能最強(qiáng)的永磁材料，它剩磁高，最高可達(dá)1.47T，矯頑力最高可超過(guò)1000kA/m，是普通鐵氧體的3～4倍。若采用鐵氧體勵(lì)磁，要達(dá)到相同的抗去磁能力和輸出轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)的體積會(huì)相應(yīng)地增大。曳引機(jī)用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電梯的動(dòng)力源，必須要考慮電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是否符合電梯提升重物的要求。綜上所述，在電動(dòng)機(jī)尺寸允許的情況下，使用釹鐵硼作為永磁體材料是合適的選擇。

1.4 磁極結(jié)構(gòu)的選擇

表貼式外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)常用的磁極結(jié)構(gòu)有瓦片狀和圓筒狀，如圖1所示。

圖1 常用磁極結(jié)構(gòu)

本電磁設(shè)計(jì)方案采用瓦片狀磁極，它更容易產(chǎn)生均勻的氣隙磁密波形，更方便對(duì)永磁體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[4]。

1.5 永磁體厚度的選擇

對(duì)于表貼式結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，永磁體直接面向氣隙，為了避免電動(dòng)機(jī)在負(fù)載時(shí)電樞反電動(dòng)勢(shì)過(guò)大，對(duì)永磁材料發(fā)生不可逆的去磁作用，需要合理的設(shè)計(jì)永磁體的厚度[5]?？紤]電動(dòng)機(jī)制造成本和制造工藝，永磁體的充磁厚度為hm=5mm。

2 電磁設(shè)計(jì)流程

本文的設(shè)計(jì)思路是首先根據(jù)公司的技術(shù)要求確定定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體材料性能，再由計(jì)算功率P、電負(fù)荷A、氣隙磁密平均值Bδ來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的基本主要尺寸。電磁設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 電磁設(shè)計(jì)流程

根據(jù)上述的電磁設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)以上電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件ANSYS/Maxwell 2D分析外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)的電磁過(guò)程以及建立電動(dòng)機(jī)的二維有限元模型，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)的二維有限元模型

3 電動(dòng)機(jī)有限元仿真結(jié)果及分析

3.1 永磁體優(yōu)化分析

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電動(dòng)機(jī)特有的問(wèn)題，它是由永磁體和電樞齒相互作用而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。過(guò)大的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，引起電機(jī)的振動(dòng)與噪聲，影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此有必要削弱永磁電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。對(duì)于表貼式外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，可以方便地通過(guò)優(yōu)化永磁體的極弧系數(shù)來(lái)達(dá)到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的目的，如圖4所示。表2是與圖4相對(duì)應(yīng)的。同時(shí)還可以改善氣隙磁密的波形，降低諧波對(duì)磁場(chǎng)的影響。由圖4、表2可以明顯看出當(dāng)極弧系數(shù)為0.86時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小。

圖4 不同極弧系數(shù)時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的波形

3.2 定子氣隙磁密

分?jǐn)?shù)槽繞組是指每極每相槽數(shù)q=Z/2pm=N/D=分?jǐn)?shù)的繞組,其中D≠1，且N和D是沒(méi)有公約數(shù)的。對(duì)于三相分?jǐn)?shù)槽電動(dòng)機(jī)，當(dāng)D為偶數(shù)時(shí)，單元電機(jī)數(shù)t=2p/D，定子繞組諧波磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為：V=±2(3k±1)/D；當(dāng)D為奇數(shù)時(shí)，單元電機(jī)數(shù)為t=p/D，定子繞組諧波磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為：V=±(6k±1)/D。式中k=0,1,2…；兩個(gè)“±”號(hào)應(yīng)取得一致，帶負(fù)號(hào)諧波的旋轉(zhuǎn)方向與不帶負(fù)號(hào)的相反。本文是36槽30極永磁同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，因此電動(dòng)機(jī)的每極每相槽數(shù)為

定子繞組諧波磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)為：V=±p(6k±1)/D，式中k=0,1,2…

即3、-15、21、-33、39、-51、57…

在Maxwell 2D模型中，將轉(zhuǎn)子磁鋼材料設(shè)為空氣，給電機(jī)加載額定電流源，這樣就可以得到僅電樞電流作用時(shí)的氣隙磁密波形，如圖5所示。對(duì)定子氣隙磁場(chǎng)波形進(jìn)行傅里葉分解可得各次諧波及幅值如表3所示。

圖5 定子氣隙磁密波形

3.3 轉(zhuǎn)子氣隙磁密

根據(jù)已建立的二維有限元模型，將電流源設(shè)置為零，可以得到永磁體優(yōu)化后轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形如圖6所示。對(duì)轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉分解得到各諧波次數(shù)及幅值如表4所示。各諧波柱狀圖如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形

圖7 轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形的傅里葉分解

3.4 徑向力波分析

根據(jù)Maxwell應(yīng)力方程可知，對(duì)電機(jī)的振動(dòng)與噪聲影響較大的是力波次數(shù)小于或等于4的徑向力波。由于分?jǐn)?shù)槽繞組的定子磁場(chǎng)的諧波分布比整數(shù)槽的密，更容易產(chǎn)生力波次數(shù)小于或者等于4的徑向力波，從而使振動(dòng)噪聲加大。徑向力波次數(shù)可通過(guò)公式r=u±v計(jì)算獲得，式中u表示轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波極對(duì)數(shù)，v表示定子磁場(chǎng)諧波極對(duì)數(shù)。表5為36槽30極永磁同步電動(dòng)機(jī)的徑向力波分析。

表5 徑向力波分析

在分析電動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲時(shí)，4階以上力波的影響是可以不予考慮的。從表5中可以看出，36槽30極電動(dòng)機(jī)的低階力波次數(shù)均為0，0階力波不會(huì)使定子鐵心產(chǎn)生不對(duì)稱的彎曲變形，從而不會(huì)引起較大的振動(dòng)與噪聲。

3.5 輸出轉(zhuǎn)矩

圖8是外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩波形。由圖8可知，優(yōu)化后輸出轉(zhuǎn)矩波形比優(yōu)化前輸出轉(zhuǎn)矩波形更加平滑。優(yōu)化前輸出轉(zhuǎn)矩的平均值為652.66 N·m，優(yōu)化后輸出轉(zhuǎn)矩的平均值為663.68 N·m，最大值為679 N·m，最小值為647.33 N·m。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率γ可以反映電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性[6]，表達(dá)式為式(2)所示，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得γ=4.8%，表明了此外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，電動(dòng)機(jī)的性能良好。

(2)

式中，Tmax—最大轉(zhuǎn)矩；Tmin—最小轉(zhuǎn)矩；Tavg—平均轉(zhuǎn)矩。

圖8 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的這款167r/min、36槽30極、335V、11.6kW的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)電磁設(shè)計(jì)方法確定電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)，并利用ANSYS/Maxwell有限元分析軟件進(jìn)行建模，優(yōu)化永磁體得到最佳極弧系數(shù)來(lái)達(dá)到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的目的，優(yōu)化后電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的波形更加平滑，平均值更大，分析了分?jǐn)?shù)槽電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以及徑向力波，為分析電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲提供了一定的參考。

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Analysis and Design of Outer-Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor

HuangGuangjian,WuBangchao,andFangChao

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

An outer-rotor permanent magnet synchronous motor with 167r/min, 30 poles and 11.6kW was designed. A 2D finite-element simulation model of the motor was established by ANSYS/Maxwell finite-element analysis software. The air-gap magnetic fields of stator and rotor, cogging torque and output torque were simulated, and the radial force wave was analyzed. The result shows that times of force waves of the motor are all zero, so it is beneficial to reduce vibration and noise of the motor. This paper has some reference value in engineering practice.

Outer-rotor permanent magnet synchronous motor；electromagnetic design；cogging torque；air-gap magnetic field；radial force wave

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.02

TM351

A

1008-7281(2017)01-0006-005

黃光建 男 1990年生；在讀碩士研究生,研究方向?yàn)橥廪D(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì).

2016-07-26