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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

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(yùn)輸機(jī)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一臺315 kW、48槽40極、90 r/min的外轉(zhuǎn)子永磁同步三相電動(dòng)機(jī)。從電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)要求。外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的二維有限元仿真模型,對所設(shè)計(jì)電機(jī)的電磁場進(jìn)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(jī)性能良好,效率高。

永磁同步電動(dòng)機(jī)； 外轉(zhuǎn)子； 電磁場； 齒槽轉(zhuǎn)矩

0 引 言

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

煤礦帶式運(yùn)輸機(jī)需要?jiǎng)恿υO(shè)備拖動(dòng)帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以直接拖動(dòng)帶式運(yùn)輸機(jī)，節(jié)省了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，效率可以顯著提高[5]。針對帶式運(yùn)輸機(jī)的這一特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)一臺額定功率為315 kW、90 r/min永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用有限元法建立電動(dòng)機(jī)的二維計(jì)算模型，對該電機(jī)的空載反電動(dòng)勢、磁密波形、磁場分布、齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行分析。

1 有限元模型

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

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

表1 電機(jī)的主要參數(shù)

根據(jù)以上電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，并考慮到電機(jī)的幾何與電磁對稱性，選取1/6模型(半個(gè)單元電機(jī)5極6槽)進(jìn)行瞬態(tài)電磁場計(jì)算，如圖1所示。

圖1 二維求解區(qū)域

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

電機(jī)軸向長度較大，因此可以用二維電磁場來模擬實(shí)際三維電磁分布；

不計(jì)電機(jī)外部磁場的影響，同時(shí)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(jì)。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(jī)由永磁體勵(lì)磁，氣隙磁場諧波較多，使電動(dòng)勢中的諧波也較多，所設(shè)計(jì)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(jī)繞組中產(chǎn)生環(huán)流。為了保證電機(jī)運(yùn)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(jī)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(qiáng)的特點(diǎn)，釹鐵硼永磁的最大磁能積可達(dá)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(jì)永磁體材料采用NdFe35。

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，電磁設(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng)機(jī)永磁同步電機(jī)有限元模型進(jìn)行求解，計(jì)算電機(jī)內(nèi)部電磁場,通過后處理得到磁力線分布、反電動(dòng)勢、額定轉(zhuǎn)矩以及齒槽轉(zhuǎn)矩等波形。

3.1 電機(jī)的磁場分布

圖3為大功率外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁力線分布。

圖3 電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁力線分布

圖3為電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁力線分布圖，由于電機(jī)的磁通密度沿軸向變化很小，而在二維平面內(nèi)，電機(jī)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(jī)內(nèi)不同位置的磁通量的大小，同時(shí)也可以間接反映磁通密度的大小。如圖3所示，電機(jī)具有完整的5個(gè)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(jì)算模型所采用的假設(shè)和邊界條件是合理的。在滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下，可以進(jìn)一步減小軛背部高度，實(shí)現(xiàn)節(jié)約材料和減輕電機(jī)重量的目標(biāo)。

圖4為電機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的氣隙磁密波形圖。圖中，○表示通過仿真計(jì)算得到的氣隙磁密的數(shù)值，實(shí)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(fù)載運(yùn)行時(shí)，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(shí)諧波相對較大。

圖4 電機(jī)的額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)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(jì)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(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)氣隙磁密諧波

3.2 空載反電動(dòng)勢

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

圖5為電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢波形，由圖5可以看出，電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，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(dòng)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(jī)負(fù)載時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)勢平均值為357.67 V，電壓調(diào)整率為3.48%。

圖5 電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電動(dòng)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(jī)在施加 380 V 電壓時(shí)，額定轉(zhuǎn)速nN= 90 r / min 時(shí)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(jī)在額定負(fù)載情況下運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩波形，從圖6可以看出，0.4 s以后，電機(jī)達(dá)到額定運(yùn)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(dòng)，通過分析可知，電機(jī)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(dòng)率γ為7.5%，表明所設(shè)計(jì)的電動(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；Tmin——平均轉(zhuǎn)矩。

3.4 齒槽轉(zhuǎn)矩

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

圖7為電機(jī)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(dòng)，選取齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖上的一個(gè)波峰為例進(jìn)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(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，為211.30 Nm)，僅為額定輸出轉(zhuǎn)矩的6‰，遠(yuǎn)低于電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率，因此，可以忽略齒槽轉(zhuǎn)矩對電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)的影響。

圖7 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3.5 效率與功率因數(shù)

電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)是衡量外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)性能的重要參數(shù)。電機(jī)在20%～150%功率范圍內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)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(jī)的效率先增大，后減小，最大效率點(diǎn)出現(xiàn)在額定功率的50%處，此時(shí)效率為97.41%。當(dāng)輸出功率在20%～150%區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，效率均高于95%。功率因數(shù)隨著電機(jī)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(shí)，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(dá)到1.5倍額定功率時(shí)，功率因數(shù)僅為0.91。綜合來看，該電機(jī)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(yùn)行。

圖8 電機(jī)在不同運(yùn)行功率時(shí)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(yùn)輸機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺315 kW、40極48槽、90 r/min的外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)。采用有限元軟件建立了外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的計(jì)算模型，完成對電機(jī)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(jī)瞬態(tài)運(yùn)行的過程，以及電機(jī)的反電動(dòng)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(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，大大縮短電機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)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(xiàng)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(jī)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