槐孝紀(jì)，晏才松，曾 純

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

上世紀(jì)末以來，由于軍工和民用對高速電機(jī)的需求，國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)競相對高速電機(jī)進(jìn)行研究，高速電機(jī)已經(jīng)成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著稀土永磁材料的不斷發(fā)展，永磁同步電動機(jī)（PMSM）在高速電機(jī)領(lǐng)域優(yōu)勢更加明顯。高速永磁同步電機(jī)定子和普通電機(jī)定子結(jié)構(gòu)幾乎無差別，其轉(zhuǎn)子不像普通異步電機(jī)是由轉(zhuǎn)子鼠籠感應(yīng)產(chǎn)生磁場，而是由永磁體提供恒定磁場，其損耗將大大降低，效率更高，達(dá)到97%以上；高速永磁同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高，功率密度大，結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于輸出同功率的普通中低速電機(jī)，可以有效節(jié)約材料和安裝空間；由于高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較小，重量輕，其轉(zhuǎn)動慣量較小，動態(tài)響應(yīng)較快；可以直接與負(fù)載或原動機(jī)連接，省去傳統(tǒng)的變速箱裝置，系統(tǒng)效率大大提高，噪聲也有了很大的改善。高速永磁電機(jī)系統(tǒng)整體節(jié)能效果明顯，符合國家倡導(dǎo)的低碳節(jié)能、綠色發(fā)展理念，必定在國家節(jié)能減排政策驅(qū)動下有更強(qiáng)勁的增長。

高速永磁同步電機(jī)技術(shù)涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域，技術(shù)覆蓋面廣，技術(shù)難度大。在電磁設(shè)計(jì)方面，需要考慮電機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩脈動過大、磁鋼失磁，轉(zhuǎn)子漏磁等問題，還需要考慮沖片強(qiáng)度不能超過該材料的最大應(yīng)力要求，電磁設(shè)計(jì)和沖片強(qiáng)度計(jì)算之間需要相互校核，最終設(shè)計(jì)出最優(yōu)的電磁設(shè)計(jì)方案。這些問題都需要借助有限元仿真分析才能進(jìn)行精確計(jì)算。

本文借助于ANSYS Maxwell有限元分析軟件，以真空泵用大功率高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)為例，根據(jù)風(fēng)機(jī)類負(fù)載電機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)，確定該電機(jī)的電磁方案，并通過電機(jī)樣機(jī)試制，對比仿真與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理可靠。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 軟件介紹

由于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的非線性特點(diǎn)，以設(shè)計(jì)異步電機(jī)的傳統(tǒng)磁路算法進(jìn)行分析計(jì)算會帶來很大的誤差，另一方面，由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，其參數(shù)選取也很難用傳統(tǒng)磁路算法來獲取。ANSYS公司推出的Maxwell有限元仿真分析軟件，具有完善的電機(jī)靜態(tài)場、瞬態(tài)場和渦流場等分析功能，而且還具有強(qiáng)大的后處理功能，還可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，為樣式各樣的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的設(shè)計(jì)平臺。

1.2 方案介紹

永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)大致分為內(nèi)置式和表貼式兩種，表貼式結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，散熱性能也不是太好，而內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)，永磁體能夠得到很好的保護(hù)，抗去磁能力強(qiáng)，弱磁范圍廣，工藝性也比較好?？紤]到該電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，選取內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，考慮到變頻器成本問題，電機(jī)選用4極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子沖片選擇圖1所示內(nèi)置一字型結(jié)構(gòu)。

圖1 電機(jī)二維結(jié)構(gòu)圖

1.3 方案設(shè)計(jì)流程

運(yùn)用場路相結(jié)合的方法，結(jié)合客戶對電機(jī)性能的要求和公司類似結(jié)構(gòu)的電機(jī)方案，選用初步計(jì)算的參數(shù)建立電機(jī)的有限元仿真模型，確定材料的屬性和參數(shù)設(shè)置，通過參數(shù)化分析對初步方案進(jìn)一步優(yōu)化，確定最終設(shè)計(jì)方案。高速永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 高速永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

1.4 方案確定

根據(jù)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，確定最終方案。該電機(jī)額定功率400kW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速15000rpm，采用內(nèi)置“一”型轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)，電機(jī)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 電機(jī)電磁仿真設(shè)計(jì)

電磁場有限元分析不僅計(jì)算精度高，而且能夠適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，是工程分析行之有效的手段。使用電磁有限元分析軟件Maxwell對電機(jī)最終方案進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)方案的合理性，有限元仿真分析項(xiàng)點(diǎn)主要包含電機(jī)空載反電動勢及諧波分析、電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、電機(jī)額定運(yùn)行性能分析和退磁分析等。

表1 電機(jī)最終方案部分設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 空載反電動勢及諧波分析

永磁同步電機(jī)空載反電動勢的計(jì)算是對電機(jī)控制器選擇IGBT元器件參數(shù)電壓最大值的界定，空載反電動勢一般選擇額定工況轉(zhuǎn)速時(shí)的反電動勢，永磁電機(jī)空載反電動勢有效值不能超過電機(jī)用變頻器最大限制。電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速15000rpm的空載反電動勢波形如圖3所示，對應(yīng)傅里葉分解后各諧波幅值如圖4所示。

圖3 空載反電動勢波形

由圖4可知，額定轉(zhuǎn)速15000rpm時(shí)，電機(jī)的線反電動勢有效值為353.3V，完全滿足與電機(jī)相匹配的變頻器對電機(jī)最大反電動勢的要求，從圖中可以看出電機(jī)反電動勢三次諧波幅值比較大，占14.2%，由于有限元仿真空載反電動勢時(shí)沒有考慮繞組接線方式，因此可以通過電機(jī)繞組Y型接線方式來削弱消除三次諧波，其他高次諧波含量占比都很小，對電機(jī)性能影響不大。

圖4 空載反電動勢FFT分解后各諧波幅值

2.2 電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析

齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)永磁電機(jī)特有的問題，會引起永磁同步電機(jī)的整體振動，影響其正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)如何減少齒槽轉(zhuǎn)矩，是高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和制造中必須考慮的關(guān)鍵性問題，通常會采用轉(zhuǎn)子斜極或定子斜槽的方式減少齒槽轉(zhuǎn)矩的大小。圖5是未考慮斜槽時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的波形，圖6是考慮定子斜槽時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩的波形。

圖5 未考慮斜槽時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的波形

圖6 考慮定子斜槽時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩的波形

由圖5和圖6可知，斜一個(gè)定子槽的齒槽轉(zhuǎn)矩為不斜槽的齒槽轉(zhuǎn)矩的18%，因此，本設(shè)計(jì)方案定子鐵心考慮斜槽。

2.3 電機(jī)額定運(yùn)行性能分析

電機(jī)額定工況和最大轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)時(shí)運(yùn)行性能的計(jì)算對電機(jī)用變頻器安全運(yùn)行至關(guān)重要，電機(jī)的運(yùn)行電壓和電流等參數(shù)，都必須保證不超過變頻器安全運(yùn)行值。一般來說，高速電機(jī)定轉(zhuǎn)子各部磁密也不能超過設(shè)計(jì)用硅鋼片的飽和磁密值。

本設(shè)計(jì)電機(jī)負(fù)載為風(fēng)機(jī)類負(fù)載，電機(jī)功率隨轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此，只需考慮電機(jī)額定工況時(shí)的狀態(tài)即可。圖7為額定運(yùn)行工況時(shí)電機(jī)齒部磁密分布圖，圖8為額定運(yùn)行工況時(shí)電機(jī)軛部磁密分布圖。

圖7 額定運(yùn)行工況時(shí)電機(jī)齒部磁密分布

圖8 額定運(yùn)行工況時(shí)電機(jī)軛部磁密分布

從圖7和圖8可以看出，電機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的齒部和軛部磁密低于設(shè)計(jì)用硅鋼片的飽和磁密值，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為258.6N·m，對應(yīng)電流值為557.2A，電機(jī)在額定工況輸出轉(zhuǎn)矩滿足電機(jī)設(shè)計(jì)要求，輸出額定電流也滿足變頻器對電壓電流的限制。

2.4 電機(jī)退磁分析

影響永磁電機(jī)安全可靠運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素就是磁鋼可能會退磁，引起磁鋼退磁的因素有高溫失磁，瞬間過電流等。高溫失磁，可以通過電機(jī)合理通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)來避免，瞬間過電流幅值產(chǎn)生的電樞反應(yīng)會對永磁體產(chǎn)生強(qiáng)烈的去磁效果，需要在電磁設(shè)計(jì)過程中考慮。三相瞬態(tài)短路故障產(chǎn)生的三相短路電流，是電機(jī)可能出現(xiàn)過電流最嚴(yán)酷的情況。

利用Maxwell 2D仿真軟件進(jìn)行退磁計(jì)算，電機(jī)發(fā)生三相短路電流最大值Imax=-4704.5A，時(shí)刻是1.25ms，此時(shí)去磁磁場強(qiáng)度最大，永磁體的最大去磁磁鋼強(qiáng)度為Hmax=-1184.5kA/m，小于磁鋼退磁曲線的拐點(diǎn)-1370kA/m，保證電機(jī)在額定工況最惡劣情況下不會出現(xiàn)瞬態(tài)過電流失磁的風(fēng)險(xiǎn)。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度核算

高速永磁電機(jī)在高轉(zhuǎn)速條件下，各部件要承受很大的離心力，為保證轉(zhuǎn)子各部件在運(yùn)行時(shí)不分離、不破壞，電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度滿足要求。電機(jī)轉(zhuǎn)子在1.1倍額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子沖片最大等效應(yīng)力為393MPa，沖片形變較小，強(qiáng)度滿足要求，安全系數(shù)達(dá)到1.1。

4 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)對比分析

該電機(jī)與變頻器進(jìn)行匹配試驗(yàn)，對電機(jī)在額定運(yùn)行工況性能進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)值和實(shí)驗(yàn)值對比如表2所示。

表2 該電機(jī)額定工況設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值對比

5 結(jié)論

本文利用Maxwell 2D軟件建立模型，對真空泵用高速永磁電機(jī)進(jìn)行電磁場有限元分析，利用場路結(jié)合的方法確定電機(jī)的最優(yōu)方案，并對最終優(yōu)化模型的空載和負(fù)載的電機(jī)性能進(jìn)行分析；對電機(jī)三相瞬態(tài)短路工況進(jìn)行研究，確保電機(jī)在最惡劣工況下能夠不退磁；利用ANSYS結(jié)構(gòu)場對電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保電機(jī)可能安全可靠運(yùn)行；最后，通過設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了該電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，為以后搭建相似電機(jī)研發(fā)提供設(shè)計(jì)平臺。