(廣東電網(wǎng)公司河源供電局，廣東河源 517000)

0 引言

目前商用轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)大多采用的是中心軸驅(qū)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是原料的輸入和紡線的輸出在同一側(cè)，缺點(diǎn)是容易引起跳線，而且杯腔內(nèi)會(huì)沉積越來越多的纖維，使紡紗的生產(chǎn)效率大打折扣。國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)目前提出了一種新型的轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于將原料的輸入和紡線的輸出放在了不同側(cè)，從而解決了跳線的問題，同時(shí)也避免了纖維的沉積問題，與此同時(shí)，轉(zhuǎn)杯驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)展趨勢(shì)是多種應(yīng)用技術(shù)集成的高科技機(jī)電一體化方向，這其中包括電力電子變換技術(shù)、高速電機(jī)及其控制技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)等[1]，在高速電機(jī)方面，除了對(duì)轉(zhuǎn)速的要求更高之外，為了配合轉(zhuǎn)杯和間接軸承(空氣軸承、磁懸浮軸承)的結(jié)構(gòu)，還要求電機(jī)具有外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無槽電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響可以用來幫助降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的損耗和噪聲[2、3]。

因此，高速、外轉(zhuǎn)子、無齒槽永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究是新型紡紗裝置研究中的重要部分，且對(duì)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高和應(yīng)用具有重要意義。

1 高速外轉(zhuǎn)子無槽永磁電機(jī)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速20000rpm、額定功率22W的電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合電機(jī)的電磁和機(jī)械性能，最終確定設(shè)計(jì)方案。

1.1 主要尺寸的確定

主要尺寸是指定子外徑Da和電樞鐵心的計(jì)算長(zhǎng)度lef，電機(jī)應(yīng)用的空間、電磁性能和機(jī)械性能都會(huì)影響電機(jī)的主要尺寸，而主要尺寸又會(huì)影響電機(jī)的材料費(fèi)用、質(zhì)量和外形輪廓等。合理的尺寸設(shè)計(jì)會(huì)使得設(shè)計(jì)的電機(jī)在性能和經(jīng)濟(jì)之間達(dá)到最佳的平衡，所以主要尺寸的確定是非常重要的[4]。在給定轉(zhuǎn)速與功率時(shí)直流無刷電機(jī)的主要尺寸與電磁負(fù)荷間具有如下的關(guān)系[5]

(1)

式中,Da—定子外徑；lef—電樞鐵心的計(jì)算長(zhǎng)度；P′—計(jì)算功率；n—額定轉(zhuǎn)速；αp′—計(jì)算極弧系數(shù)；Bδ—磁負(fù)荷；As—電負(fù)荷。

再結(jié)合電機(jī)的長(zhǎng)徑比λ、電樞長(zhǎng)度與電樞鐵心計(jì)算長(zhǎng)度的關(guān)系等式，可得

(2)

1.2 電磁負(fù)荷的確定

對(duì)式(2)中各參數(shù)進(jìn)行分析可知，P′和n在電機(jī)設(shè)計(jì)要求明確后即為定值，而參數(shù)αp′和λ變化并不大，故電磁負(fù)荷As,Bδ也就決定了電機(jī)的主要尺寸，電負(fù)荷As可以通過下式表達(dá)[6]

(3)

式中，m—相數(shù)；N—導(dǎo)體數(shù)；2a—并聯(lián)支路數(shù)；Ia—電樞電流(A)。

氣隙磁通密度最大值Bδ則為

(4)

式中，Φ—每極主磁通；τ—極距；αp—極弧系數(shù)。

在確定Bδ和As的值時(shí)，過大的Bδ會(huì)導(dǎo)致電樞磁路所需的勵(lì)磁安匝數(shù)增加，相應(yīng)的增加了銅的用量，還會(huì)使鐵損增大，降低電機(jī)效率，提高電機(jī)溫升。因?yàn)殡娯?fù)荷與電機(jī)的電抗電動(dòng)勢(shì)為正比關(guān)系，所以常用較大的Bδ值和較小的As值，除了可以降低電樞的用銅量，還可以改善電機(jī)的換向性能，但針對(duì)高速電機(jī)而言，Bδ較大時(shí)又會(huì)導(dǎo)致鐵損較大。在本文設(shè)計(jì)的電機(jī)中，還需要考慮非導(dǎo)磁體的永磁體保護(hù)套的存在導(dǎo)致電機(jī)等效氣隙較大的因素，故無法僅從理論層面確定其數(shù)值，需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)比對(duì)，并通過多次迭代計(jì)算來達(dá)到Bδ和As的最佳配合。

1.3 氣隙長(zhǎng)度的確定

當(dāng)氣隙長(zhǎng)度較大時(shí)，電樞反應(yīng)磁密的諧波、轉(zhuǎn)子的渦流損耗和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等都會(huì)減少，從而降低電機(jī)的噪聲和振動(dòng)，但也使電機(jī)的經(jīng)濟(jì)成本升高[7]，通過計(jì)算，本電機(jī)設(shè)計(jì)方案中氣隙長(zhǎng)度為0.3mm。

1.4 永磁體充磁方式的選擇

當(dāng)電機(jī)其他參數(shù)保持不變，充磁方式不同時(shí)，得到的同一路徑下的氣隙磁密分布也是不同的，利用Maxwell2D進(jìn)行分析，可以得到如圖1所示結(jié)果。

圖1 徑向充磁與平行充磁時(shí)的氣隙磁密曲線

兩種波形進(jìn)行傅里葉諧波計(jì)算后，可以得到如圖2、圖3所示結(jié)果。

圖2 徑向充磁時(shí)氣隙磁密的傅里葉諧波分析

圖3 平行充磁時(shí)氣隙磁密的傅里葉諧波分析

經(jīng)過以上的分析與對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：①平行充磁產(chǎn)生的高次諧波相對(duì)較多；②平行充磁產(chǎn)生的磁通密度相對(duì)較??；③徑向充磁產(chǎn)生的氣隙磁密的波形更接近于方波，考慮到外轉(zhuǎn)子無齒槽永磁無刷直流電機(jī)的特性，本設(shè)計(jì)方案選擇的充磁方式為徑向充磁。

1.5 轉(zhuǎn)子部分的設(shè)計(jì)

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子在電機(jī)運(yùn)行時(shí)受到的離心力較大，所以在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)需要考慮轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，影響轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的因素包括轉(zhuǎn)子的直徑與轉(zhuǎn)子的材料，轉(zhuǎn)子所受到的最大應(yīng)力可以表示為

(5)

式中,ρ—材料密度；D—轉(zhuǎn)子直徑；υ—材料的poisson系數(shù)。

本文的轉(zhuǎn)子軛結(jié)構(gòu)為實(shí)心，并選用Steel-1010作為轉(zhuǎn)子軛的材料。

在轉(zhuǎn)子的尺寸上，轉(zhuǎn)子直徑較小時(shí)，其受到的拉應(yīng)力和離心力都較小，但同時(shí)需要考慮要有足夠的空間放置永磁體和永磁體保護(hù)套，并保證轉(zhuǎn)子具有較高的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子又不能太小[8]。

目前用來保護(hù)永磁體的方法有使用永磁體保護(hù)套和使用極間填充物等[9、10]，如圖4所示。由于本文永磁體的結(jié)構(gòu)為環(huán)形，即磁極間無空隙，所以采用厚度為0.15mm的鈦合金材料，并通過過盈配合的方式構(gòu)成永磁體保護(hù)套，保證永磁體在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不受破壞，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 永磁體的保護(hù)方法

圖5 本文電機(jī)的永磁體護(hù)套保護(hù)

1.6 定子部分的設(shè)計(jì)

定子部分的設(shè)計(jì)包括定子材料、定子尺寸、槽數(shù)等，定子鐵心材料結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和性能指標(biāo)，選取了牌號(hào)為50w470的低損耗冷軋硅鋼片，定子尺寸需要結(jié)合前述轉(zhuǎn)子、永磁體、氣隙等尺寸來確定，還要依據(jù)繞組導(dǎo)線線徑與導(dǎo)體數(shù)，留有足夠的裕度放置繞組電樞。

由于本文設(shè)計(jì)的電機(jī)為無槽，故所說的槽數(shù)為虛槽，采用非導(dǎo)磁材料幫助繞線后固定在定子鐵心上。電樞槽數(shù)對(duì)電機(jī)的性能有較大的影響，每極下的電樞槽數(shù)Z/2P增加時(shí)，電機(jī)的換向性能隨之改善，因磁通脈振導(dǎo)致的噪聲和損耗也隨之降低，但Z/2P太大，會(huì)導(dǎo)致槽利用率降低和經(jīng)濟(jì)成本的增加，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)槽數(shù)為9。

1.7 電機(jī)設(shè)計(jì)方案的確定

通過以上所述的設(shè)計(jì)過程，再結(jié)合電磁負(fù)荷比等優(yōu)化方法，多次迭代，最終確定了電機(jī)設(shè)計(jì)方案，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)表

2 基于Ansys的外轉(zhuǎn)子無槽高速電機(jī)有限元分析

2.1 電機(jī)的靜態(tài)仿真

靜態(tài)場(chǎng)仿真可以得到電機(jī)的磁場(chǎng)分布參數(shù)，以此來判斷其磁路設(shè)計(jì)是否正確。其結(jié)果分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 磁力線分布圖

圖7 磁密云圖

圖8 氣隙磁密曲線

通過圖6可以知道，該電機(jī)磁力線的路徑較為規(guī)則，很好控制了漏磁。通過圖7和圖8的綜合分析可以得知該電機(jī)轉(zhuǎn)子的最大磁密與定子軛部的最大磁密均不存在過飽和現(xiàn)象，氣隙中的磁密曲線也達(dá)到預(yù)期，磁場(chǎng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 電機(jī)的瞬態(tài)仿真

對(duì)該電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)仿真時(shí)，需要將工況分別設(shè)置為空載和負(fù)載兩種。工況為空載時(shí)，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為0，通過計(jì)算即可得到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電流等的曲線，分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

圖9 空載瞬態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線

圖10 空載瞬態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線

圖11 空載瞬態(tài)時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)曲線

圖12 空載瞬態(tài)時(shí)的電流曲線

當(dāng)工況為負(fù)載時(shí)，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，并設(shè)置電機(jī)的控制電路即可進(jìn)行仿真計(jì)算，其結(jié)果分別如圖13、圖14、圖15、圖16所示。

圖13 額定負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線

圖14 額定負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的A相反電動(dòng)勢(shì)曲線

圖15 額定負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的電流曲線

圖16 額定負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線

通過對(duì)仿真結(jié)果的分析和對(duì)比，可以驗(yàn)證所提出的的電機(jī)設(shè)計(jì)方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并繪制了樣機(jī)制作的工程圖，如圖17所示。

圖17 電機(jī)部件示意圖

3 結(jié)語

面對(duì)新型轉(zhuǎn)杯紡紗驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)和研究也變得多樣化，本文針對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況，提出了一款高速、外轉(zhuǎn)子、無齒槽永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并給出設(shè)計(jì)方案，又通過建模仿真，對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行電磁分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法與方案的正確性和可行性，按照設(shè)計(jì)方案制作樣機(jī)進(jìn)行后續(xù)研究，并為此款電機(jī)后期性能上的提高與實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。