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        無軌膠輪車用永磁同步電動機(jī)磁場優(yōu)化設(shè)計*

        2020-03-26 08:11:52陳凡東
        煤礦機(jī)電 2020年1期
        關(guān)鍵詞:節(jié)距膠輪鐵心

        陳凡東

        (1.中國煤炭科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司, 遼寧 撫順 113122; 2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113001)

        0 引言

        隨著鋰電池容量和電池控制技術(shù)的發(fā)展,礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車逐步代替防爆柴油機(jī)無軌膠輪車。永磁同步電動機(jī)是礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車的重要組成部分,其性能直接影響無軌膠輪車車動力系統(tǒng)。永磁同步電動機(jī)除了要滿足膠輪車動力需求外,還需減輕自身質(zhì)量[1],減少噪聲和振動,提高乘坐的舒適性[2]。

        本文利用Ansoft-Maxwel磁場分析軟件,對不同永磁體寬度、鐵心長度、氣隙長度和節(jié)距的同步電動機(jī)磁場進(jìn)行仿真分析,在滿足性能的前提下進(jìn)行優(yōu)化,并對優(yōu)化后的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行最大輸出轉(zhuǎn)矩測量,結(jié)果表明設(shè)計方案符合工程需要,對后續(xù)永磁同步電動機(jī)設(shè)計具有借鑒意義。

        1 設(shè)計參數(shù)

        由于無軌膠輪車對永磁同步電動機(jī)體積限制較大,為保證永磁同步電動機(jī)符合表1的設(shè)計要求,需合理設(shè)計電動機(jī)參數(shù)。

        表1 主要技術(shù)指標(biāo)

        電動機(jī)極弧系數(shù)為:

        (1)

        式中:P為極弧系數(shù);αI為計算極弧系數(shù);Kβ為氣隙磁場波形系數(shù);Kdp為繞組系數(shù);Dil為定子內(nèi)徑;L1為鐵心長度;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;A1為定子電負(fù)荷;Bδ為氣隙磁密。

        按照式(1)和經(jīng)驗(yàn)值對該電動機(jī)進(jìn)行主要尺寸估算[3~4]。永磁同步電動機(jī)主要尺寸估算值如表2所示。

        2 參數(shù)的優(yōu)化

        2.1 永磁體寬度優(yōu)化

        在電動機(jī)設(shè)計中,電動機(jī)性能可通過永磁體寬度來調(diào)整。永磁體寬度影響齒槽轉(zhuǎn)距、定子槽充填系數(shù)以及電流密度等指標(biāo)。在滿足電動機(jī)性能指標(biāo)的前提下,定子槽充填系數(shù)一般選擇在60%~80%,電流密度選擇30 A/m2,并選擇較低的齒槽轉(zhuǎn)矩和漏磁系數(shù),保證膠輪車乘坐的舒適性[5~6]。

        利用Ansoft軟件將永磁體寬度從20 mm到60 mm,以步長為5 mm取值,其分析結(jié)果見表3。根據(jù)本文的選擇條件,由表3可以看出,磁體寬度為50 mm最適合。

        表2 主要參數(shù)估算結(jié)果

        表3 不同永磁體寬度時電動機(jī)參數(shù)

        2.2 鐵心長度優(yōu)化

        在電動機(jī)內(nèi)外徑一定的情況下,電動機(jī)體積只與鐵心長度有關(guān),鐵心長短不僅影響電動機(jī)尺寸,還影響效率[7],圖1為鐵心-效率曲線。由圖1可看出,鐵心長度超過245 mm時,電動機(jī)及效率急劇下降。該電動機(jī)鐵心估算長為210 mm,從圖1可知,鐵心的長度可優(yōu)化為180 mm。

        圖2為鐵心長度在180 mm時的三相反電勢,由圖2可知,三相反電勢曲線成正弦波,其反電勢最大值180 V,為額定電壓的0.8倍,符合電動機(jī)的設(shè)計規(guī)定。

        圖1 效率與鐵心長度的變化

        圖2 鐵心長度為180 mm時三相反電勢

        2.3 氣隙長度的優(yōu)化

        氣隙長度的大小影響電動機(jī)的效率、磁損、制造成本以及諧波量[8-9]。由表4可以看出,隨著氣隙長度的減小,效率跟鐵損增大,鐵損先減小后增大。根據(jù)電動機(jī)性能指標(biāo),氣隙長度可選擇1.00 mm或0.95 mm,經(jīng)綜合考慮,本文選擇氣隙長度為1 mm。

        表4 不同氣隙長度下效率、鐵損和功率值

        2.4 繞組節(jié)距優(yōu)化

        繞組節(jié)距分為整距和短距,短距一般取5/6或2/3整距。短距可以削弱斜波電動勢,故本電動機(jī)繞組節(jié)距選短距。在齒槽一定的情況下,本電動機(jī)可選節(jié)距為4和5。節(jié)距4和節(jié)距5的反電勢諧波見圖3、圖4。從圖中看出,當(dāng)節(jié)距為5時反電勢諧波幅值較低,此外,節(jié)距為5時,繞組的利用率較高[10],因此節(jié)距選擇5。

        圖3 節(jié)距4時反電勢諧波

        3 優(yōu)化結(jié)果及性能驗(yàn)證

        3.1 優(yōu)化結(jié)果

        永磁同步電動機(jī)優(yōu)化方案見表5。根據(jù)表5可知,優(yōu)化后的永磁同步電動機(jī)方案在額定功率、額定轉(zhuǎn)矩以及效率上有所降低,但其值均滿足表1的主要指標(biāo)。優(yōu)化后的永磁同步電動機(jī)總質(zhì)量由優(yōu)化前的74.92 kg降低到65.32 kg,減輕了12.81%。

        圖4 節(jié)距5時反電勢諧波

        表5 方案對比

        3.2 性能驗(yàn)證

        利用國家安全生產(chǎn)撫順礦用設(shè)備檢測檢驗(yàn)中心的電動機(jī)測試系統(tǒng),對設(shè)計樣機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行額定功率、額定轉(zhuǎn)矩以及效率的測試,測試值見表6,最大輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系見圖5。測量結(jié)果表明,該設(shè)計方案符合工程的要求。

        表6 電機(jī)額定數(shù)據(jù)

        圖5 最大輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化

        4 結(jié)論

        利用Ansoft-Maxwell磁場仿真軟件,完成了小體積高轉(zhuǎn)速永磁同步電動機(jī)的磁場設(shè)計,并對永磁體寬度、鐵心長度、氣隙長度和節(jié)距進(jìn)行了較全面的優(yōu)化,將永磁同步電動機(jī)的車身質(zhì)量由優(yōu)化前的74.92 kg降低到65.32 kg,減輕了12.81%,這對同類永磁同步電動機(jī)的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

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