辛佰富

摘要：近些年來伴隨著永磁電機(jī)制造技術(shù)以及永磁材料制造水平的日益提升，永磁電機(jī)的主要制造工藝以及技術(shù)問題已經(jīng)得到了有效的解決。為此，越來越多的企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)立志于永磁同步電機(jī)的研究工作，以此研究出更多新產(chǎn)品好適應(yīng)于不同的應(yīng)用場合。鑒于此本文筆者即在梳理了國內(nèi)外學(xué)者以及相關(guān)工作人員對永磁電機(jī)的大量研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合個(gè)人研究經(jīng)驗(yàn)，提出防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究，以供廣大同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：防爆型;永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī);電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

前言：

因永磁同步電機(jī)本身的體積小，重量輕，噪音低，但效率卻相對較高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用與發(fā)展前景都十分的廣泛。也正因如此，大力的推動(dòng)與研究永磁同步電機(jī)則具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。尤其是伴隨著近些年來能源消耗量的日益上漲，人們更加熱衷于選擇節(jié)能型的高效電機(jī)，以滿足需求的快速增加。而防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)，因其本身的可靠性較高、帶載能力較強(qiáng)，且具有節(jié)能減排的作用，在現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)之中更是得到了日益廣泛的應(yīng)用。鑒于此種情況筆者在查閱了大量相關(guān)參考文獻(xiàn)的前提下，結(jié)合已有的低速永磁直驅(qū)同步電機(jī)為例，對防爆型低速直驅(qū)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)思路展開進(jìn)一步的研究。

1.防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程

雖然在不同負(fù)載類型下應(yīng)用的永磁同步電機(jī)，其具體的工況不盡相同，但是基本的電機(jī)設(shè)計(jì)理念是一致的，主要的問題均都集中在如何將低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得以有效的消除之上。所以，對于低速高扭矩的永磁同步電動(dòng)機(jī)而言，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵應(yīng)該在于如何進(jìn)一步消除諧波引發(fā)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。通常情況下，非正弦氣隙磁場會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)低速扭矩電動(dòng)機(jī)或者是高扭矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，都應(yīng)該盡可能的確保氣隙磁場為正弦。

在設(shè)計(jì)低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)時(shí)，其研究熱點(diǎn)應(yīng)該放在如何選擇轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)上，如何優(yōu)化極槽配合上，如何抑制齒槽轉(zhuǎn)矩上，如何提升轉(zhuǎn)矩密度上等諸多方面。而不同的應(yīng)用場合與不同的額定參數(shù)，恰恰決定了電動(dòng)機(jī)在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該選取的不同方案參數(shù)。為此，本文筆者將應(yīng)用場合定位于礦用驅(qū)動(dòng)設(shè)備之上，旨在設(shè)計(jì)一臺(tái)符合現(xiàn)場應(yīng)用需求的防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)，并以一臺(tái)額定功率為160kW，額定轉(zhuǎn)速為60r/min，額定轉(zhuǎn)矩為25466N·m的隔爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)為例，從上述幾個(gè)研究熱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而對電動(dòng)機(jī)的性能加以優(yōu)化，降低電動(dòng)機(jī)的實(shí)際體積與成本。

具體而言，在低速直驅(qū)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)使用多極結(jié)構(gòu)，以此降低額定的同步轉(zhuǎn)速，并在大扭矩的前提下，進(jìn)一步減少電動(dòng)機(jī)額定電流，使得每極都能夠具備足夠強(qiáng)的激勵(lì)磁場。而勵(lì)磁面積又直接會(huì)影響到永磁體能夠提供的磁場強(qiáng)度，因此永磁直驅(qū)同步電機(jī)可以采取切向式結(jié)構(gòu)。

2.永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)化

眾所周知，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不僅會(huì)影響伺服系統(tǒng)的控制精確度，還會(huì)引發(fā)電機(jī)振動(dòng)、機(jī)械噪聲等問題，甚至?xí)苯佑绊懙秸麄€(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。所以，絕大多數(shù)應(yīng)用場合需要的都是平滑的轉(zhuǎn)矩。而永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)之所以發(fā)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，歸根結(jié)底還是因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩與諧波電磁轉(zhuǎn)矩造成的。其中，齒槽轉(zhuǎn)矩可謂是永磁電動(dòng)機(jī)的一種固有現(xiàn)象，當(dāng)定制繞組中的電流為零時(shí)，永磁體與開槽定子鐵心之間相互作用下便會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩;而諧波電磁轉(zhuǎn)矩則是由于電壓諧波分量與電流諧波分量，這二者之間的互相作用產(chǎn)生諧波電磁轉(zhuǎn)矩。所以，有效的降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，便要同時(shí)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩與諧波電磁轉(zhuǎn)矩，這是永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

受到電機(jī)定子表面開槽的影響，齒槽轉(zhuǎn)矩勢必會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生。這是因?yàn)橛来呸D(zhuǎn)子的磁極與定子槽，如若處于不相等的前提下，主磁路的磁導(dǎo)率勢必會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)子更加傾向于在磁路磁導(dǎo)率最小的地方停止。而實(shí)際上電動(dòng)機(jī)里面的永磁體始終會(huì)受到磁芯的吸引，也就使得各個(gè)永磁體之間會(huì)產(chǎn)生一種聯(lián)合性吸引力，轉(zhuǎn)子會(huì)停止在聯(lián)合吸引力為零的位置之上。如若轉(zhuǎn)子的角度旋轉(zhuǎn)相對較小，那么永磁體遠(yuǎn)離初始的平衡位置之時(shí)，定子鐵心便會(huì)對永磁體產(chǎn)生吸引，而這個(gè)吸引力則會(huì)阻止轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離平衡位置，并產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，阻止轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁極位置的具體變化情況，如圖1所示。由此可以清楚的看出，當(dāng)磁極極間中線處于零點(diǎn)位置時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩為零;而當(dāng)轉(zhuǎn)子移開，磁極極間中線于零點(diǎn)位置偏離開，因磁阻的變化隨之產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，試圖將轉(zhuǎn)子重新拉回到平衡位置之上。為此不少參考資料也對此展開了相應(yīng)的公式計(jì)算得出結(jié)論，即：具有相同槽數(shù)的分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)，其本身的基波齒槽轉(zhuǎn)矩的周期，為整數(shù)槽繞組電機(jī)的N倍，這就充分說明了使用分?jǐn)?shù)槽繞組能夠有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

齒諧波會(huì)造成點(diǎn)擊低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及電磁噪聲等問題，因此通常情況下要想有效消除齒諧波往往會(huì)采取斜槽方法。然而由于永磁體的形狀通常都為長方體，使用轉(zhuǎn)子斜槽在一定程度上會(huì)加大永磁體的實(shí)際安裝難度。所以，多采取定子斜槽這種方法消除齒諧波。

而在多極低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，由于對定子槽的數(shù)目有著一定的限制，無法使用整數(shù)分布繞組的方式，對反電勢形諧波加以削弱。因此，最為理想的選擇應(yīng)該是真分?jǐn)?shù)槽集中繞組。

所以，本文設(shè)計(jì)研究的防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組可采取集中分?jǐn)?shù)槽繞組方式，電機(jī)繞組可以采取雙層疊繞組。

3.永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對于永磁電機(jī)而言，其本身性能的優(yōu)劣在很大程度上直接受到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)的決定，具體包括：選取合適的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，選取合適的極弧系數(shù)、選取適合的磁性材料，做好轉(zhuǎn)子的隔磁優(yōu)化等。

首先，按照不同的安裝形式可以將永磁電機(jī)的磁極形式分為兩種，即表面式、內(nèi)置式;按照永磁體的不同激勵(lì)方式，還可以將將永磁電機(jī)的磁極形式分為徑向結(jié)構(gòu)、切向結(jié)構(gòu)、混合式，這三種。由于在直驅(qū)永磁同步電機(jī)中，其本身的極數(shù)相對較多，混合式的工藝與設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用也相對較少。

其次，選擇不用的磁極電弧系數(shù)往往會(huì)影響到電樞繞組的電磁場波形以及電機(jī)的輸出。所以，在低速大扭矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，永磁同步電機(jī)要想消除諧波對電樞繞組電磁場波形產(chǎn)生的影響，可以從極弧系數(shù)的合理選擇入手。為此，結(jié)合電機(jī)理論，可以用傅立葉極數(shù)分解將矩形波磁密度分布分解為空間諧波，即：

公式中：Bm表示氣隙磁密幅值;k表示諧波次數(shù)，為奇數(shù);θe為沿氣隙圓周的電弧度。

如若此時(shí)通過對漏磁小大的適當(dāng)調(diào)整，對極弧系數(shù)進(jìn)行合適的選擇，使得氣隙磁密波形呈現(xiàn)出準(zhǔn)梯形的分布態(tài)勢時(shí)，那么則可以借助Fourier級數(shù)進(jìn)行分解，使其成為空間隔磁諧波，即：

公式中：α為主磁極極弧短距角的一般。

通過公式1與公式2的比較，可以清楚的看到公式2是公式1的sin kα/kα倍，這也就說明了對于削弱基波而言，僅為sin α/α倍，當(dāng)α≤π/6時(shí)，其數(shù)值幾近于1;而對于各次諧波卻只能減少為1/k倍，這完全可以通過kα=π，對某一鐵定諧波進(jìn)行消除。所以，結(jié)合電機(jī)理論得出結(jié)論，通過三相對稱繞組的連接，可以消除能過被3整除的奇次諧波。因此，永磁直驅(qū)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，5次與7次諧波應(yīng)該是最值得關(guān)心的，最為理想的選擇應(yīng)該為：。

最后，隨著釹鐵硼永磁體能量密度的顯著提升，釹鐵硼儼然已經(jīng)成為電機(jī)設(shè)計(jì)過程中首選的永磁材料。需要注意的是永磁體的環(huán)境溫度與磁密有著密切聯(lián)系，所以在計(jì)算永磁體時(shí)，也要對其工作溫度時(shí)的性能予以計(jì)算。本文選用N38SH型號(hào)的永磁體，其具體性能見表1所示。

4.永磁電機(jī)電磁方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取與匹配定轉(zhuǎn)子的參數(shù)，可謂是永磁電機(jī)電磁方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容所在。因此，在電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，就必須要根據(jù)實(shí)際的要求與額定的參數(shù)，對電機(jī)的定轉(zhuǎn)子沖片尺寸進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

在定子槽數(shù)的確定上，因本次設(shè)計(jì)研究的電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為60r/min，電機(jī)的運(yùn)行效率最好選擇為20HZ以上，以便于更好的滿足多級少槽電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)特點(diǎn)。所以，在綜合了電機(jī)的實(shí)際尺寸以及諧波削弱，繞組因數(shù)高度等情況下，可確定40級48槽最為適合。

在定子槽型的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為了確保定子鐵心能夠擁有足夠的強(qiáng)度，有效減少附加損耗，定子沖片槽形的寬度尺寸與定子齒距尺寸，二者之間的比值必須小于0.55，且沖片軛部的高度不得低于0.6倍的槽深，可將定子槽口的高度設(shè)置為1.5。而為了提高定子槽的實(shí)際利用率，保證定子齒部磁密均勻，避免出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象，在確保電磁性能的前提下，可以采取梨形槽，平行齒這種形式。

正是因?yàn)闅庀冻叽缒軌驅(qū)β┐偶右钥刂?，能夠有效減少磁鋼的用量，進(jìn)而大大降低電機(jī)的制造成本。所以，根據(jù)以往的電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)參考文獻(xiàn)的計(jì)算程序驗(yàn)證，本文電機(jī)設(shè)計(jì)選擇的氣隙尺寸為1.5mm，相應(yīng)的磁極結(jié)構(gòu)采取2倍不均勻氣隙設(shè)計(jì)。

由于設(shè)計(jì)的永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)屬于少槽多級結(jié)構(gòu)，為了獲得更打的勵(lì)磁面積，可采取切向式結(jié)構(gòu)，以及非導(dǎo)磁隔磁環(huán)這種隔磁措施。

做好極槽配合、定子槽型、氣隙尺寸等相關(guān)參數(shù)的確定，可利用Matlab路算法經(jīng)過反復(fù)的迭代計(jì)算，得出最優(yōu)的電磁設(shè)計(jì)方案。

5.防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的電磁建模與試驗(yàn)

通過有限元法建設(shè)防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)模型，在此之前應(yīng)做出如下三點(diǎn)假設(shè)：第一，對磁場在定子圓周橫截面上的變化進(jìn)行忽略，將電機(jī)磁場的實(shí)際分布等效看做二維場用來求解計(jì)算;第二，認(rèn)定永磁體磁導(dǎo)率沿各個(gè)方向都是相同的;第三，對鐵心飽和影響進(jìn)行忽略，認(rèn)定鐵心材料各向都是同性的，B-H特性曲線為單值，為了盡可能的減少計(jì)算量，在建模時(shí)僅對八分之一的電機(jī)模型進(jìn)行構(gòu)建。

確定好防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案以后，通過二維有限元計(jì)算模型，對空載工況、負(fù)載工況的相應(yīng)磁場情況加以分析，對空載反電勢幅值、徑向氣隙磁密諧波寒含量展開分析，研究永磁電機(jī)削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，對仿真的有效性展開進(jìn)一步驗(yàn)證。

同時(shí)，還要對電機(jī)機(jī)殼、端蓋等，利用有限元軟件展開模態(tài)分析，得要相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)與位移數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證本次電機(jī)設(shè)計(jì)的防爆性能，判斷電機(jī)機(jī)構(gòu)是否合理。

結(jié)論：

本文首先闡述了防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方法，之后根據(jù)永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場合，展開了一系列的理論分析，并且利用有限元模型以及Ansys禮學(xué)分析軟件，對電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)闡述進(jìn)行校核計(jì)算，以此對電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性與優(yōu)異性進(jìn)行驗(yàn)證。本次設(shè)計(jì)還存在許多的不足之處，僅供廣大同行參考借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉文輝.隔爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動(dòng)機(jī)研究[D]哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[2]邵春雷.多定子徑軸向混合磁路永磁同步電機(jī)研究[D].山東大學(xué)，2018.

[3]王明星.永磁同步電機(jī)效率和噪聲的多目標(biāo)優(yōu)化[D].上海電機(jī)學(xué)院，2018.

[4]李娟娟.采用分?jǐn)?shù)槽繞組的永磁同步電機(jī)性能分析[D].天津大學(xué)，2012.

[5]黃信.分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁同步電機(jī)的分析[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2018.

[6]劉婷，黃志文，鄧秋玲.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法應(yīng)用研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（03）.