趙素珍，司紀(jì)凱，封海潮，許孝卓，曹文平，李應(yīng)生

(1．河南理工大學(xué)，焦作454003;2．珠海格力電器股份有限公司，珠海517907;3．University of Aston，Birmingham B4 7ET，UK;4．鄭州潤華智能設(shè)備有限公司，鄭州 450001)

0 引言

稀土永磁同步電動機(jī)在要求大功率密度、高運(yùn)行效率的場合得到廣泛的應(yīng)用，尤其是伴隨電力電子器件及永磁材料的研究和不斷提升，使永磁同步電動機(jī)的相關(guān)研究得到快速發(fā)展［1－5］。

永磁同步電動機(jī)按照永磁體的放置方式和結(jié)構(gòu)形式的不同，劃分為表面凸出式、表面嵌入式和內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)。前2種電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩波動小、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，但其功率密度不高。后一種電機(jī)具有高功率密度和較強(qiáng)的過載能力，但其漏磁較多，轉(zhuǎn)矩波動大［6－7］。文獻(xiàn)［8－13］提出了一種新電機(jī)結(jié)構(gòu)，采用等效磁路法、有限元法分析該電機(jī)的基本電磁特性，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

綜上所述，為結(jié)合表面嵌入式和內(nèi)置式切向結(jié)構(gòu)永磁同步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提高電機(jī)的過載能力和改善弱磁性能，在表面－內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子同步電動機(jī)的基礎(chǔ)上，本文提出一種表嵌－內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)(以下簡稱SIPMSM)。本文圍繞一臺3相、額定功率為 7．5 kW的 SIPMSM展開電磁設(shè)計。SIPMSM的定子部分選用普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子部分是由表面嵌入式永磁體、內(nèi)置式切向永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心組成。先采用傳統(tǒng)的電磁設(shè)計公式，計算出SIPMSM的基本尺寸，再進(jìn)行建模分析和主要性能分析，以此多次調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到較為合理的SIPMSM結(jié)構(gòu)。

1 SIPMSM電磁設(shè)計

1．1 主要尺寸計算

SIPMSM的電磁設(shè)計過程是以技術(shù)要求為設(shè)計目標(biāo)，確定SIPMSM電磁設(shè)計的主要參數(shù)，為后續(xù)的優(yōu)化工作做準(zhǔn)備。SIPMSM設(shè)計目標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計目標(biāo)

永磁同步電動機(jī)是由永磁材料建立磁場的電磁機(jī)械裝置，在進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換時，其電磁能通過氣隙在定、轉(zhuǎn)子之間傳遞，因此永磁電機(jī)的主要尺寸與其電磁能之間存在不可分割的關(guān)系。SIPMSM的計算功率P'和繞組相電動勢E分別如下:

式中:m=3;IN為單相額定電流;KNm為氣隙磁場的波形系數(shù);f為感應(yīng)電動勢的頻率;N為繞組每相串聯(lián)匝數(shù);Kdq為定子的繞組因數(shù);Φ為每極磁通量。感應(yīng)電動勢的頻率f、每極磁通量Φ、極距τ、線負(fù)荷A計算公式分別如下:

式中:p=2;Bδ為氣隙磁密;αp為SIPMSM的計算極弧系數(shù);lef為定子鐵心的有效長度;D為定子電樞直徑;將式(2)代入式(1)，并考慮以上各關(guān)系式可得:

永磁同步電動機(jī)的計算功率可按給定的額定功率PN來決定，如下:

式中:KE為在額定負(fù)載時感應(yīng)電動勢與端電壓的比值;cos φN=0．98;ηN=95%。由式(8)和式(7)可得:

由以上分析可知，SIPMSM主要尺寸計算如下。KE計算如下:

初選計算極弧系數(shù)αp=0．67，氣隙磁場波形系數(shù) KNm=1．11，繞組因數(shù) Kdq=1，線負(fù)荷 A=42 300 A/m，額定功率因數(shù) cos φN=0．98，氣隙磁密 Bδ=0.84 T，額定轉(zhuǎn)速n=1500 r/min，則可得到計算結(jié)果如下:

定子內(nèi)徑Dil和定子外徑D1及鐵心有效長度lef可分別由下式求得:

式中:λ為主要尺寸比，取值1．9，Di1/D1取經(jīng)驗(yàn)值。

考慮實(shí)際生產(chǎn)中硅鋼片的規(guī)格并結(jié)合公式的計算結(jié)果，將電機(jī)鐵心長度5 mm為一個進(jìn)制，可取SIPMSM的定子內(nèi)徑Dil，外徑D1，鐵心軸向長度lt分別為 91mm，155 mm，135 mm。

1．2 定子繞組設(shè)計

在電機(jī)組成中，定子是主要部分。定子的槽數(shù)與極數(shù)、相數(shù)、每極每相槽數(shù)q相關(guān)。本文取q為4，則定子槽數(shù)Q=2pmq=24。

由于本文所設(shè)計的SIPMSM槽數(shù)、極數(shù)、功率都比較小，因此繞組形式采用單層鏈?zhǔn)嚼@組。電機(jī)有功電流Ikw、單相額定電流IN、定子繞組每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)Nφ計算公式分別如下:

式中:UNφ為電機(jī)額定相電壓330 V。

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用單匝繞組會出現(xiàn)電流過大的情況，引起SIPMSM的繞組發(fā)熱嚴(yán)重。繞組又是電機(jī)中的主要熱源，從而引起電機(jī)高溫，導(dǎo)致了SIPMSM的內(nèi)部絕緣老化和永磁體退磁。為電流集膚效應(yīng)的影響最小化，避免采用較粗的定子繞組線徑，本文采用將定子繞組進(jìn)行α路并聯(lián)和Nt1并繞的方法。設(shè)計時考慮到SIPMSM定子電流，因此選擇并聯(lián)支路數(shù)α=1和并繞根數(shù)Nt1=2。SIPMSM繞組每槽導(dǎo)體數(shù)Ns計算公式如下:

在電機(jī)設(shè)計中，電機(jī)繞組的線徑選取也很重要。為了方便繞制和嵌線，繞組的線徑需要合理。電機(jī)的性能和成本也會受到電流密度J的影響，當(dāng)選用較大的J值時，其導(dǎo)體截面減小，可節(jié)省材料降低成本，但會導(dǎo)致?lián)p耗增大效率降低，從而引起溫度升高、電機(jī)的壽命和可靠性降低。根據(jù)SIPMSM的特點(diǎn)，電流密度J取值7．5 A/mm2，按照下式估算導(dǎo)線截面積Ao1:

根據(jù)式(19)計算出的導(dǎo)線截面積Ao1和按照選取與其標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線相近的原則，得到繞組圓導(dǎo)線的單根裸線直徑d1=1mm，則考慮到存在絕緣漆時取單根漆包線線徑d=1．08 mm。

1．3 定子槽型設(shè)計

電機(jī)的定子槽型與功率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩特性相關(guān)。因定子繞組為圓導(dǎo)線散嵌，故本文設(shè)計的SIPMSM采用梨形槽。定子齒寬和具體槽型結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示，槽型參數(shù)如表2所示。

圖1 SIPMSM定子齒寬

圖2 SIPMSM定子槽型

表2 定子槽型尺寸參數(shù)

經(jīng)查表選取電機(jī)槽絕緣厚度Ci=0．35 mm，計算可得電機(jī)槽有效面積Aef=118．11mm2，則SIPMSM槽滿率Sf、電機(jī)線圈節(jié)距τy、線圈直線部分長度lB、繞組平均半匝長l0、定子繞組直流電阻R1分別如下:

1．4 氣隙設(shè)計

在永磁同步電動機(jī)設(shè)計中，氣隙長度δ在影響電機(jī)運(yùn)行性能方面是一個重要設(shè)計參數(shù)。由于氣隙長度的取值基本上決定于定子內(nèi)徑、軸的直徑和轉(zhuǎn)子長度。對于SIPMSM，由于需要將表嵌式永磁體固定在轉(zhuǎn)子鐵心上，其氣隙長度的取值不能過小;但又考慮到SIPMSM的速度范圍，其值不能過大。氣隙長度δ的取值綜合上述2個方面，利用下式求取:

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況，取電機(jī)氣隙長度δ=0．5 mm。

1．5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的表嵌－內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形成過程如圖3所示，轉(zhuǎn)子主要采用了表面嵌入式、內(nèi)置切向式永磁體及轉(zhuǎn)子鐵心。

圖3 表嵌－內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形成過程

目前，稀土永磁材料發(fā)展已比較成熟，尤其是釹鐵硼永磁材料具有剩磁密度大、磁穩(wěn)定性好和矯頑力高等特點(diǎn)，適合于各種永磁電機(jī)。因此本文的SIPMSM永磁體采用釹鐵硼永磁材料，鐵心部分采用硅鋼材料?？紤]到SIPMSM的具體結(jié)構(gòu)形式，將表嵌式永磁體和內(nèi)置式永磁體的軸向長度與電機(jī)鐵心長度相等，即lsm=lim=lt=135 mm，對于表嵌式永磁體的磁化方向長度hsm和寬度bsm可分別由下式計算求得:

式中:μr為永磁體相對磁導(dǎo)率，取值為1．07;Br為永磁體剩磁密度;Bδ為預(yù)估電機(jī)氣隙磁密，在工程上Br/Bδ=1．1～1．35，在式(26)中取值為 1．27;τr為電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心極距，取值為65．97 mm，根據(jù)計算結(jié)果，可取表嵌式永磁體磁化方向長度hsm和寬度bsm分別為2 mm和44 mm。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)，對于內(nèi)置式永磁體，可取與表嵌式永磁體磁化方向長度hsm相等，即him=hsm=2 mm;其磁寬bim根據(jù)之前求得的SIPMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時考慮到避免內(nèi)置永磁體在轉(zhuǎn)子外徑邊產(chǎn)生過多漏磁，將表嵌式永磁體和內(nèi)置式永磁體之間的鐵心直接削掉，省略隔磁橋。因此取內(nèi)置式永磁體磁寬bim=24．5 mm。

SIPMSM參數(shù)如表3所示。按照永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計流程，通過綜合計算和分析，初步確定了SIPMSM的主要尺寸、繞組和定子槽參數(shù)、永磁體尺寸等。

表3 SIPMSM主要參數(shù)

2 SIPMSM性能分析

基于有限元法，分析計算SIPMSM的空載與負(fù)載特性。SIPMSM磁場分布如圖4所示。

圖4 SIPMSM磁場仿真結(jié)果

從圖4可知，由于SIPMSM采用表嵌－內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)置式永磁體具有引導(dǎo)磁通和聚磁的效果，使得該電機(jī)漏磁少。從圖4中還可以看出，表嵌式永磁體的漏磁通線為0。內(nèi)置式永磁體在500條磁通線時有2條漏磁通線漏磁系數(shù)為1．004。又由于表面式永磁體與內(nèi)置式永磁體形成磁路上的串并聯(lián)關(guān)系，因此SIPMSM有效磁通較高。

SIPMSM空載氣隙磁密和空載反電動勢分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，SIPMSM氣隙磁密基波分量為0．99 T，諧波含量為36．7%。SIPMSM氣隙磁密基本呈矩形分布，氣隙磁密的諧波含量較高。主要原因有兩個:一是SIPMSM屬于凸極電機(jī)，其主極磁場的分布與磁極中心線相對稱，含有奇次空間諧波;二是定子開槽后，對應(yīng)齒槽的位置氣隙大小不同，從而導(dǎo)致氣隙單位面積下的磁導(dǎo)大小不一樣。因此開槽導(dǎo)致氣隙磁場分布發(fā)生變化，產(chǎn)生齒諧波。

圖5 SIPMSM空載氣隙磁密及頻譜分析

由圖6可知，SIPMSM空載反電動勢基波分量有效值為209．68 V，諧波含量為25．3%?？蛰d反電動勢的諧波含量較高，其中9次諧波和11次諧波含量較高，這是由電機(jī)開槽引起的一階齒諧波造成的。由于在定子繞組為整數(shù)槽時和周期性齒磁導(dǎo)的放大作用，增大了定子繞組的齒諧波電動勢，使電機(jī)的電動勢波形中出現(xiàn)明顯的齒諧波波紋。

圖6 SIPMSM空載反電動勢及頻譜分析

SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩和額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別如圖7和圖8所示。SIPMSM的A相電流曲線如圖9所示。由圖7可知，SIPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為2．7 N·m，其齒槽轉(zhuǎn)矩波形的周期性比較明顯。齒槽轉(zhuǎn)矩峰值較大的原因在于永磁體與定子齒間的相互作用力較大。SIPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩會使其產(chǎn)生振動和噪聲，引起轉(zhuǎn)速波動，使電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行，影響電機(jī)的性能。由圖8可知，SIPMSM平均轉(zhuǎn)矩為47．6 N·m，轉(zhuǎn)矩波動為14．6%。轉(zhuǎn)矩曲線在第4個周期完全進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，SIPMSM的動態(tài)響應(yīng)時間短。SIPMSM的轉(zhuǎn)矩波動較大原因之一就是齒槽轉(zhuǎn)矩，因此，后續(xù)工作需要對齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行優(yōu)化。由圖9可知，電流的正弦性較好。

圖7 SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩

圖8 SIPMSM額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩

圖9 SIPMSM的A相電流曲線

3 結(jié)語

通過以上計算分析，SIPMSM設(shè)計合理，各項(xiàng)性能基本滿足設(shè)計要求。

1)提出一種新型SIPMSM。設(shè)計了SIPMSM的基本電磁參數(shù)，最終確定了其具體結(jié)構(gòu)尺寸。

2)建立了SIPMSM有限仿真模型，研究分析了電機(jī)基本運(yùn)行特性。并為表嵌－內(nèi)置式永磁同步類電動機(jī)提供設(shè)計參考準(zhǔn)則。