薛 易， 聶曉涵， 李 棟， 曹釗濱

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022; 2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044)

大功率外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機的設(shè)計

薛 易1， 聶曉涵1， 李 棟2， 曹釗濱2

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022; 2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044)

針對煤礦帶式運輸機的特點,設(shè)計一臺315 kW、48槽40極、90 r/min的外轉(zhuǎn)子永磁同步三相電動機。從電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁材料、磁極結(jié)構(gòu)等方面分析了外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的設(shè)計要求。外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機的二維有限元仿真模型,對所設(shè)計電機的電磁場進行二維仿真分析，得到空載反電勢、磁密波形、磁場分布、齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩等準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:該外轉(zhuǎn)子永磁同步電機性能良好,效率高。

永磁同步電動機； 外轉(zhuǎn)子； 電磁場； 齒槽轉(zhuǎn)矩

0 引 言

永磁同步電動機與感應(yīng)電動機相比不需要無功勵磁電流，功率因數(shù)可以得到顯著提高，可以實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩運行，運行平穩(wěn)性好[1-2]。外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機與普通的永磁電動機在結(jié)構(gòu)上相反，是一種轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)的永磁電動機，具有轉(zhuǎn)動慣量大、功率密度高和節(jié)電率高等優(yōu)點[3]。帶式輸送機是一種常見的煤礦皮帶輸送機，目前主要使用感應(yīng)電動機，通過齒輪或減速機與滾筒配合使用，損耗較大[4]。尤其是感應(yīng)電動機在輕載運行時，定子負載電流小，功率因數(shù)低。

煤礦帶式運輸機需要動力設(shè)備拖動帶式運輸機運轉(zhuǎn)，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以直接拖動帶式運輸機，節(jié)省了中間傳動機構(gòu)，效率可以顯著提高[5]。針對帶式運輸機的這一特點，筆者設(shè)計一臺額定功率為315 kW、90 r/min永磁同步電動機，采用有限元法建立電動機的二維計算模型，對該電機的空載反電動勢、磁密波形、磁場分布、齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩等進行分析。

1 有限元模型

由于電機直接驅(qū)動帶式運輸機，電機額定轉(zhuǎn)速為90 r/min，為了提高電機的性能，尤其是低速時依然具有較高的輸出性能，因此,電機需采用多極結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對比分析，選定電機的結(jié)構(gòu)為40極48槽[6-7]。

外轉(zhuǎn)子電機的設(shè)計與內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的設(shè)計過程基本相同，先給出定子內(nèi)徑，然后再根據(jù)實際槽型尺寸，計算出內(nèi)徑的大小。轉(zhuǎn)子部分在選取氣隙之后再計算出轉(zhuǎn)子外徑尺寸。設(shè)計完成的大功率外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的主要參數(shù),如表1所示。

表1 電機的主要參數(shù)

根據(jù)以上電動機的基本參數(shù)，并考慮到電機的幾何與電磁對稱性，選取1/6模型(半個單元電機5極6槽)進行瞬態(tài)電磁場計算，如圖1所示。

圖1 二維求解區(qū)域

為了降低計算量和計算時間，在保證計算精度的前提下，做出如下假設(shè)[8-9]：

電機軸向長度較大，因此可以用二維電磁場來模擬實際三維電磁分布；

不計電機外部磁場的影響，同時忽略位移電流的影響；

忽略材料電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的溫度效應(yīng)；

鐵磁材料的磁滯效應(yīng)忽略不計。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，大功率永磁同步電動機的二維電磁場滿足下列泊松方程邊值問題：

(1)

式中:Ω——求解區(qū)域;Az——矢量磁位;Jz——電流密度;μ——相對磁導(dǎo)率;Γ1——第一類邊界條件;Γ2——永磁體等效面電流邊界;Jm——永磁邊界等效面電流密度;μ1、μ2——永磁邊界兩側(cè)材料的磁導(dǎo)率。

將轉(zhuǎn)子外表面Γ1作為邊界面，邊界上磁力線閉合，屬一類強加邊界條件，令其上的矢量磁位Az=0。由于永磁同步發(fā)電機由永磁體勵磁，氣隙磁場諧波較多，使電動勢中的諧波也較多，所設(shè)計的繞組采用星形聯(lián)結(jié)的集中式繞組結(jié)構(gòu)，避免發(fā)電機繞組中產(chǎn)生環(huán)流。為了保證電機運行可靠性，采用2路并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2 磁性材料和磁極結(jié)構(gòu)的選擇

目前，永磁電機所采用的磁性材料主要有釹鐵硼和鐵氧體兩大類。釹鐵硼具有能量密度高、體積小、重量輕和磁性強的特點，釹鐵硼永磁的最大磁能積可達398 kJ/m3，為鐵氧體永磁材料的5～12倍[10]。綜上所述，文中設(shè)計永磁體材料采用NdFe35。

表貼式外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機常用的磁極結(jié)構(gòu)有瓦片狀和圓筒狀，電磁設(shè)計方案采用瓦片狀磁極，如圖2所示。它更容易產(chǎn)生均勻的氣隙磁密波形更方便對永磁體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖2 磁極結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

對外轉(zhuǎn)子電動機永磁同步電機有限元模型進行求解，計算電機內(nèi)部電磁場,通過后處理得到磁力線分布、反電動勢、額定轉(zhuǎn)矩以及齒槽轉(zhuǎn)矩等波形。

3.1 電機的磁場分布

圖3為大功率外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機的磁力線分布。

圖3 電機額定負載運行時的磁力線分布

圖3為電機額定負載運行時的磁力線分布圖，由于電機的磁通密度沿軸向變化很小，而在二維平面內(nèi)，電機的磁力線分布圖可等效為磁通密度的等位線分布圖。圖3中數(shù)值表示電機內(nèi)不同位置的磁通量的大小，同時也可以間接反映磁通密度的大小。如圖3所示，電機具有完整的5個磁極，定轉(zhuǎn)子軛背部磁力線均在軛背部鐵心范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子軛背部氣隙磁密較小，其法向分量極小，由此可以證明計算模型所采用的假設(shè)和邊界條件是合理的。在滿足機械強度的前提下，可以進一步減小軛背部高度，實現(xiàn)節(jié)約材料和減輕電機重量的目標(biāo)。

圖4為電機在額定負載運行時的氣隙磁密波形圖。圖中，○表示通過仿真計算得到的氣隙磁密的數(shù)值，實線為通過仿真數(shù)據(jù)擬合得到的氣隙磁密曲線。由圖4可見，負載運行時，受到定子電樞反應(yīng)的影響，氣隙磁密波形發(fā)生畸變，此時諧波相對較大。

圖4 電機的額定負載運行時的氣隙磁密波形

采用傅里葉分解，得到的各次諧波如表2所示。由表2可以看出，主波幅值約為0.98 T，與設(shè)計值吻合。主波附近的氣隙磁密較大，3/5/、7/5諧波幅值分別為0.41和0.65 T，應(yīng)采取措施降低其諧波含量。高次諧波的幅值都很小。

表2 電機額定負載運行時氣隙磁密諧波

3.2 空載反電動勢

外轉(zhuǎn)子同步永磁電機的空載反電動勢是電機最基本、最重要的參數(shù)，對電機的轉(zhuǎn)速、額定電流等指標(biāo)有著直接影響[11]。

圖5為電機空載運行時的感應(yīng)電動勢波形，由圖5可以看出，電機空載運行時，三相電壓波形正弦度、對稱性均較好。A、B、C三相感應(yīng)電動勢分別為370.53、370.50和370.64 V，平均值為370.56 V。同樣的道理可得到電機負載時三相感應(yīng)電動勢平均值為357.67 V，電壓調(diào)整率為3.48%。

圖5 電機空載運行時感應(yīng)電動勢波形

Fig. 5 Picture of induction electromotive force waveform of motor under no-load operation

3.3 輸出轉(zhuǎn)矩

外轉(zhuǎn)子永磁同步電機在施加 380 V 電壓時，額定轉(zhuǎn)速nN= 90 r / min 時的電磁輸出轉(zhuǎn)矩曲線,如圖6所示。

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩波形

圖6為電機在額定負載情況下運行的轉(zhuǎn)矩波形，從圖6可以看出，0.4 s以后，電機達到額定運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定。但由于受齒槽轉(zhuǎn)矩、高次空間諧波等的影響，輸出轉(zhuǎn)矩仍有波動，通過分析可知，電機在額定狀態(tài)下輸出轉(zhuǎn)矩的最大值為35.6 kNm，最小值為33 kNm，平均值為：34.4 kNm。根據(jù)式(2)求得額定狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩波動率γ為7.5%，表明所設(shè)計的電動機轉(zhuǎn)矩波動小，電動機的性能良好。

(2)

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

3.4 齒槽轉(zhuǎn)矩

在永磁電機中由于存在齒槽轉(zhuǎn)矩，對電機的控制性能造成了很大的影響。因此，為了提高電機的性能，必須考慮齒槽轉(zhuǎn)矩的影響[12]。

圖7為電機齒槽轉(zhuǎn)矩的波形，受轉(zhuǎn)子磁極和定子齒槽相對位置的變化的影響，齒槽轉(zhuǎn)矩的變化呈周期性波動，選取齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖上的一個波峰為例進行分析可知齒槽轉(zhuǎn)矩最大值為211.30 Nm(如圖7所示，當(dāng)電角度為191°時，齒槽轉(zhuǎn)矩達到最大值，為211.30 Nm)，僅為額定輸出轉(zhuǎn)矩的6‰，遠低于電機額定負載運行時的轉(zhuǎn)矩波動率，因此，可以忽略齒槽轉(zhuǎn)矩對電機運行轉(zhuǎn)矩的波動的影響。

圖7 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3.5 效率與功率因數(shù)

電動機的效率和功率因數(shù)是衡量外轉(zhuǎn)子同步電機性能的重要參數(shù)。電機在20%～150%功率范圍內(nèi)變化時，電機的效率與功率因數(shù)變化情況如圖8所示。

由圖8可以看出，電機的效率先增大，后減小，最大效率點出現(xiàn)在額定功率的50%處，此時效率為97.41%。當(dāng)輸出功率在20%～150%區(qū)間內(nèi)變化時，效率均高于95%。功率因數(shù)隨著電機輸出功率的增大而減小，其中當(dāng)功率小于0.8倍額定功率時，功率因數(shù)均在0.99以上。而隨著功率的繼續(xù)增大，功率因數(shù)迅速減小，當(dāng)功率達到1.5倍額定功率時，功率因數(shù)僅為0.91。綜合來看，該電機在20%～150%的功率范圍內(nèi)均可保持高效率和高功率因數(shù)運行。

圖8 電機在不同運行功率時的效率與功率因數(shù)曲線

Fig. 8 Efficiency and power factor curve of motor at different operating power

4 結(jié)束語

文中針對煤礦帶式運輸機的特點，設(shè)計了一臺315 kW、40極48槽、90 r/min的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機。采用有限元軟件建立了外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的計算模型，完成對電機的仿真研究。仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確地反映了外轉(zhuǎn)子永磁同步電機瞬態(tài)運行的過程，以及電機的反電動勢、轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密分布等特性，為大功率外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)，大大縮短電機的設(shè)計時間。

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(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

A design of high-power external rotor permanent magnet synchronous motor

XueYi1,NieXiaohan1,LiDong2,CaoZhaobin2

(1.School of Electrical & Control Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China；2.School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

This paper introduces a 315 kW,48 slots,40 poles,90 r/min PMSM as a response to the characteristics of coal mine belt conveyor. The design is achieved by analyzing the design requirements of external rotor the external rotor PMSM in terms of motor stator and rotor structure, permanent magnet material, and magnetic pole structure; developing the 2D finite-element model of the high-power external rotor PMSM; performing two dimensional simulation analysis of the electromagnetic field of the designed motor; and thereby obtaining accurate data related to the no-load back-electromotive force, magnetism flux density, magnetic field distribution, cogging torque, and output torque of the designed motor. The results prove the external rotor PMSM boast a better performance and a higher efficiency.

permanent magnet synchronous motor(PMSM); external rotor; electromagnetic field; cogging torque;

2016-04-16

國家自然科學(xué)基金項目(51477005; 51477049)

薛 易(1971-)，男，黑龍江省哈爾濱人，副教授，博士，研究方向:大型電機電磁場理論,E-mail:Xue7105@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.003

TM341

2095-7262(2017)03-0219-05

A