鄧先明， 鄭 康， 龔書生， 劉曉文

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引 言

永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）自從發(fā)明問世以來就憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［1］，而且我國(guó)的稀土資源儲(chǔ)存量極其豐富，約占全球已發(fā)現(xiàn)稀土總藏量的75%，這些稀土材料能被運(yùn)用于電磁裝置中用來產(chǎn)生勵(lì)磁，非常適用于永磁同步電動(dòng)機(jī)中永磁體的制造［2］。然而我國(guó)目前生產(chǎn)制造的電動(dòng)機(jī)，其效率一般不是很高，高效率的電動(dòng)機(jī)在當(dāng)前的國(guó)內(nèi)電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占有率不足5%。通過提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，既有利于節(jié)省能源，又可以促進(jìn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，增強(qiáng)我國(guó)永磁同步電動(dòng)機(jī)制造水平。積極發(fā)展和應(yīng)用高效節(jié)能的稀土永磁電動(dòng)機(jī)，對(duì)于響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略以及不斷優(yōu)化國(guó)家能源結(jié)構(gòu)具有重大而深遠(yuǎn)的意義［3］。

近年來，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究出一種新型結(jié)構(gòu)的PMSM，該電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出的最大特點(diǎn)是Ld＞Lq，這種電感特性與常規(guī)的具有凸極效應(yīng)的PMSM恰好相反，因此這種新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)被稱為反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)［4］。這種新型電動(dòng)機(jī)不僅解決了常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍窄以及負(fù)載運(yùn)行下永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)等關(guān)鍵性問題，而且還可以降低電動(dòng)機(jī)的鐵芯損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率。因此，反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)在許多重要場(chǎng)合都具有很大的應(yīng)用價(jià)值［5］。

本文在常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)提出了一種反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的新結(jié)構(gòu)。該電動(dòng)機(jī)降低了它在負(fù)載和過載運(yùn)行狀態(tài)下永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)，并且還改善了轉(zhuǎn)子磁路的飽和程度，使得電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布更加合理，提升了新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行性能。通過Ansys/Maxwell有限元分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁分析，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)550 W的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具有凸極效應(yīng)的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子直軸安放有永磁體，這等效于在該電動(dòng)機(jī)的直軸上增加了氣隙的厚度，導(dǎo)致其直軸磁阻大于交軸磁阻，如下圖1（a）所示，此類電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的磁阻轉(zhuǎn)矩分量在功角0°～90°范圍內(nèi)小于零，電磁轉(zhuǎn)矩最大值對(duì)應(yīng)的功角出現(xiàn)在90°～180°位置。因此當(dāng)常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)處于負(fù)載或過載工作狀態(tài)下稀土永磁體就存在著一定的退磁隱患；此外，在這種狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的鐵芯磁路比較容易飽和，從而將會(huì)增加定轉(zhuǎn)子部分的鐵芯損耗，造成電動(dòng)機(jī)效率的下降［6］。因?yàn)镻MSM的凸極性主要是由轉(zhuǎn)子鐵芯的磁路結(jié)構(gòu)決定的，通過改變?cè)械霓D(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)，使得電動(dòng)機(jī)的直軸磁阻小于交軸磁阻，從而具備反凸極特性；其功角特性如圖1（b）所示，該電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩在功角0°～90°范圍內(nèi)大于零，電磁轉(zhuǎn)矩最大值對(duì)應(yīng)的功角則出現(xiàn)于0°～90°范圍內(nèi)，剛好與常規(guī)的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)相反，使得反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)具備了避免退磁的性能。

圖1 兩種電動(dòng)機(jī)的PMSM功角特性

新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是在常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上保留電動(dòng)機(jī)的定子部分不變，只通過改造轉(zhuǎn)子鐵芯的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反凸極特性，因此可以將下式作為設(shè)計(jì)依據(jù)［7］。

式中：N為繞組匝數(shù)；Rm為磁路磁阻。

從式（1）可以看出，在線圈匝數(shù)保持不變的條件下，想要實(shí)現(xiàn)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的反凸極特性，即Ld＞Lq，必須要在轉(zhuǎn)子鐵芯的交軸磁路上增加磁阻，從而使交軸磁阻超過直軸磁阻。所以，本文通過在轉(zhuǎn)子鐵芯的交軸軸線位置開設(shè)6個(gè)半圓形空氣槽，以此來實(shí)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的反凸極特性，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

本文所設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用圍繞轉(zhuǎn)軸呈V形排列的方式，并且它的定、轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑以及永磁體的具體尺寸參數(shù)和排列方式等均與進(jìn)行對(duì)比的常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)保持一致；唯一的區(qū)別在于新型電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子鐵芯的交軸軸線上開設(shè)了6個(gè)半圓形空氣槽，通過這種方式，不僅增加了交軸磁路的磁阻，實(shí)現(xiàn)了該電動(dòng)機(jī)的反凸極特性，而且還能緩解轉(zhuǎn)子鐵芯磁路的飽和程度，有利于減少電動(dòng)機(jī)的鐵芯損耗［8］。此外，半圓形空氣槽的存在提高了轉(zhuǎn)子鐵芯的散熱性能，降低轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程的溫度，起到了保護(hù)永磁體的作用［9］。

2 新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電磁設(shè)計(jì)主要是按照所設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能要求來計(jì)算它的主要尺寸，確定稀土永磁體的材料類型、參數(shù)以及排列方式等等其他參數(shù)［10］。

2.1 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：額定功率550 W，相數(shù)3，額定相電壓220 V，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，極對(duì)數(shù)3，額定功率因數(shù)95%，額定效率92%，額定相電流0.95 A，額定轉(zhuǎn)矩5.25 N·m，絕緣等級(jí)F。

2.2 電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定

永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸包括了定子鐵芯內(nèi)徑Di1以及電動(dòng)機(jī)鐵芯的軸向長(zhǎng)度lef，其中它的主要尺寸與各項(xiàng)關(guān)鍵性能緊密相關(guān)，而且還決定了電動(dòng)機(jī)的體積、質(zhì)量以及制作成本，正確合理的確定電動(dòng)機(jī)尺寸能夠?yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［11］。本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)的主要尺寸參數(shù)如下：定轉(zhuǎn)子疊片材料DW315-50，氣隙長(zhǎng)度0.5 mm，定子外徑120 mm，定子內(nèi)徑80 mm，轉(zhuǎn)子外徑79 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑22 mm，定轉(zhuǎn)子鐵芯有效長(zhǎng)度85 mm，主要尺寸比ξ＝1.06。

3 電動(dòng)機(jī)模型的建立

電動(dòng)機(jī)模型的建立過程是先利用得出電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體等主要尺寸，然后選擇在RMxprt模塊中輸入計(jì)算得到的電動(dòng)機(jī)尺寸，經(jīng)過分析求解后生成所需要的常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的二維模型［12］。再按照分析的新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的特性，進(jìn)一步優(yōu)化改造常規(guī)凸極電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)，最終形成本文所設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)。其中這兩種電動(dòng)機(jī)的仿真模型圖如圖3所示。

圖3 兩種電動(dòng)機(jī)的Ansoft仿真模型圖

兩種電動(dòng)機(jī)仿真模型的主要參數(shù)尺寸如下：額定功率550 W，定子外徑120 mm，額定相電壓220 V，定子內(nèi)徑80 mm，相數(shù)3，轉(zhuǎn)子外徑79 mm，極對(duì)數(shù)3，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑22 mm，同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，電動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度85 mm，額定轉(zhuǎn)矩5.25 N·m，永磁體厚度3 mm，氣隙長(zhǎng)度0.5 mm，永磁體寬度30 mm。

4 電動(dòng)機(jī)有限元分析

4.1 空載磁場(chǎng)分析

利用有限元分析軟件Ansoft建立常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)和新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的二維仿真模型，并分別對(duì)它們進(jìn)行了有限元求解，得到了兩種電動(dòng)機(jī)在同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min下的空載磁場(chǎng)分布情況，其空載磁力線分布以及空載磁密云圖分別如圖4所示。

從圖4可以看出，它們的空載磁力線都是呈三對(duì)極均勻分布，與電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論相符合，并且磁力線均從永磁體出發(fā)穿出轉(zhuǎn)子軛部再經(jīng)過空氣隙，然后到達(dá)定子的齒部和軛部最后又回到轉(zhuǎn)子磁極，形成一個(gè)完整的閉合磁路［13］。另外，兩種電動(dòng)機(jī)雖然都在轉(zhuǎn)子鐵芯側(cè)設(shè)置了隔磁橋的結(jié)構(gòu)，但是新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子鐵芯側(cè)存在半圓形空氣槽使得隔磁橋的寬度更加合理。因此，新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部分的漏磁通相對(duì)常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)要更少，而且這些空氣槽分布于轉(zhuǎn)子交軸軸線上使得該位置的磁飽和程度得到了很大程度的緩解，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布更加合理。

圖4 兩種電動(dòng)機(jī)的磁力線分布

4.2 空載反電動(dòng)勢(shì)分析

空載反電動(dòng)勢(shì)表示在PMSM的三相定子繞組開路的情況下，永磁同步電動(dòng)機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下由永磁體磁場(chǎng)單獨(dú)作用，在定子三相對(duì)稱繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)［14］。

兩種電動(dòng)機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形以及它們的各次諧波含量對(duì)比分別如圖5和6所示。

images/BZ_89_1466_1825_2115_2191.pngimages/BZ_89_1466_2330_2115_2702.png（a）常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)

圖6 兩種電動(dòng)機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)的諧波比較

從圖5和6的比較結(jié)果可以看出，新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)的基波含量相比較于常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)都有了顯著的提高，而3次和5次諧波含量基本保持不變，同時(shí)7次及9次諧波含量在原有的基礎(chǔ)上都出現(xiàn)了一定程度的下降［15］。有效改善了新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)波形的畸變程度，使得它們的波形更加接近于正弦波，有利于減少電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高永磁體的利用率［16］。

4.3 電感特性

采用有限元方法對(duì)電感參數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行分析，在計(jì)算兩種電動(dòng)機(jī)的直軸電感時(shí)，將交軸電流iq設(shè)置為額定值，同時(shí)將直軸電流id參數(shù)化使其以1 A的步長(zhǎng)從0 A變化到8 A；同理，在計(jì)算它們的交軸電感時(shí)，也將直軸電流id設(shè)置為額定值，再把交軸電流iq參數(shù)化以1 A的步長(zhǎng)從0 A變化到8 A。這樣所得到的兩種電動(dòng)機(jī)的電感特性就完全考慮到了交直軸磁路交叉飽和的影響［17］，其結(jié)果如圖8所示。

圖7 兩種電動(dòng)機(jī)的交直軸電感特性曲線

從圖8（a）可以看出，常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)交軸電感大于直軸電感，表現(xiàn)出凸極效應(yīng)。由圖8（b）可以得出，新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)由于在交軸軸線上開設(shè)了6個(gè)半圓形空氣槽，電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出了反凸極效應(yīng)；由于轉(zhuǎn)子鐵芯上存在半圓形空氣槽，使得電動(dòng)機(jī)磁路的飽和程度大大降低，所以隨著電流的增加，新型結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)交直軸電感值下降的趨勢(shì)相比于常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)要更加平穩(wěn)。

4.4 運(yùn)行狀態(tài)的性能分析

通過使用有限元軟件Ansoft在兩種電動(dòng)機(jī)的定子電樞繞組中分別施加額定的三相對(duì)稱電壓，并且同時(shí)將兩者的負(fù)載轉(zhuǎn)矩都設(shè)置為額定值TN＝5.25 N·m，然后讓它們?cè)谕睫D(zhuǎn)速1 000 r/min狀態(tài)下開始運(yùn)行，經(jīng)過求解得到額定負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)重要性能。

圖8 是額定負(fù)載下兩種電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的對(duì)比情況，同樣也選擇了500～600 ms內(nèi)的轉(zhuǎn)速曲線。從圖中可以看出，額定負(fù)載下兩者的轉(zhuǎn)速波動(dòng)的范圍的表現(xiàn)，對(duì)比之下新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的波動(dòng)范圍還是要更小些，并且存在著逐漸減小的趨勢(shì)。

圖8 額定負(fù)載下兩種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的對(duì)比

圖9 給出了額定負(fù)載下兩種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的對(duì)比情況。由于新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子交軸上開設(shè)了6個(gè)半圓形槽，減少了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的漏磁，使得磁場(chǎng)分布更加合理，其氣隙磁場(chǎng)和反電動(dòng)勢(shì)的諧波含量相比于常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)更少，波形更接近于正弦波，降低了電動(dòng)機(jī)的紋波轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。

圖9 額定負(fù)載下兩種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的對(duì)比

通過有限元分析軟件求解得到了兩種電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的鐵芯損耗、定子銅耗以及計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的輸出功率，并選取兩種電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)鐵耗和銅耗的平均值，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的效率，具體數(shù)值如表1所示。

表1 額定負(fù)載下兩種電動(dòng)機(jī)的損耗和效率

在額定負(fù)載狀態(tài)下新穎反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵耗相比于常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)明顯減少，主要是因?yàn)樵谛滦徒Y(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯中開設(shè)了半圓形空氣槽，降低了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁路的飽和程度，使得磁密的分布更加合理，從而降低了電動(dòng)機(jī)的鐵耗，這與本文的設(shè)計(jì)理論是相一致。

5 樣機(jī)試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

5.1 樣機(jī)制作

為了使制作的樣機(jī)模型更加貼近有限元仿真結(jié)果，本文在打樣電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用了和仿真模型完全一致的尺寸；同時(shí)考慮到安裝永磁體的難易程度，需要給轉(zhuǎn)子永磁體槽留出一定的裕量，槽的尺寸分別取85，15.2，3.1 mm。另外，還由于樣機(jī)成本的問題，本文選用了厚度為0.5 mm的轉(zhuǎn)子鐵芯疊片。由于電動(dòng)機(jī)的功率較小，樣機(jī)的定子繞組采用了單層繞組的結(jié)構(gòu)。圖10和圖11分別為550 W樣機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)。

圖10 樣機(jī)的定子結(jié)構(gòu)

圖11 樣機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)

5.2 性能驗(yàn)證

為了與電磁仿真的性能進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)樣機(jī)的多個(gè)性能進(jìn)行測(cè)試，利用天煌教儀的電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拖動(dòng)新型電動(dòng)機(jī)的樣機(jī)旋轉(zhuǎn)。如圖12所示，原動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，兩種電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器緊密相連，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電樞和勵(lì)磁就可以方便地進(jìn)行調(diào)速。

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)打樣的新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的電磁性能測(cè)試，主要包括定子電阻值，交直軸電感值，空載反電動(dòng)勢(shì)，額定轉(zhuǎn)速以及額定相電流等。

5.2.1 定子電阻測(cè)量

利用諧振儀測(cè)量得到樣機(jī)的三相線電阻值以及計(jì)算求的相電阻R1（Ω）如下：RAB＝16.79，RBC＝16.39，RCA＝16.13，R1＝8.22。

5.2.2 交直軸電感測(cè)量

通過諧振儀測(cè)得頻率為50 Hz條件下的電感值［22］如下：Ld＝61.719 mH，Lq＝50.692 mH。

計(jì)算得到的樣機(jī)交直軸電感值表現(xiàn)出新型電動(dòng)機(jī)的反凸極特性：Ld＞Lq，并且和仿真的結(jié)果差距不大，也證明了新型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。其中由于在測(cè)量過程中需要將轉(zhuǎn)子直軸和定子磁動(dòng)勢(shì)對(duì)準(zhǔn)，操作過程中很難完全重合，難免存在測(cè)量誤差；另外，轉(zhuǎn)子鐵芯制作精度存在誤差，也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的交直電感值產(chǎn)生影響。

5.2.3 空載反電勢(shì)測(cè)量

為了與電磁仿真的性能進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)樣機(jī)的空載反電勢(shì)進(jìn)行測(cè)試，利用天煌教儀的電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拖動(dòng)新型電動(dòng)機(jī)的樣機(jī)旋轉(zhuǎn)，原動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，兩種電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器緊密相連，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電樞和勵(lì)磁就可以方便地進(jìn)行調(diào)速，并使用示波器觀察樣機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形。

永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)就是三相的對(duì)稱性，為了驗(yàn)證樣機(jī)三相繞組的對(duì)稱性，在同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min條件下，對(duì)其空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了測(cè)量，獲得的波形如圖13所示。

圖13 三相空載反電動(dòng)勢(shì)

由圖13可以看出，樣機(jī)的三相繞組反電動(dòng)勢(shì)對(duì)稱性良好，波形的形狀也接近于仿真軟件Ansoft所得出的仿真波形。利用MATLAB對(duì)樣機(jī)A相的空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了傅里葉分析，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 仿真值和實(shí)驗(yàn)值的數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2實(shí)驗(yàn)和仿真的數(shù)值對(duì)比可以看出，空載反電動(dòng)勢(shì)峰值比Ansoft仿真的結(jié)果有了一定的下降，而諧波畸變率略微有所上升，十分接近于仿真值，主要原因是受到轉(zhuǎn)子鐵芯的制作精度以及機(jī)械強(qiáng)度的要求等因素的影響，導(dǎo)致樣機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的漏磁要略大于仿真中的漏磁，使得樣機(jī)的參數(shù)有些變化。

5.2.4 空載轉(zhuǎn)速和相電流測(cè)量

測(cè)量空載轉(zhuǎn)速和相電流時(shí)，通過變頻器帶動(dòng)樣機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率就能很方便對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，圖14是輸入電壓的頻率從0 Hz逐漸升到50 Hz，示波器顯示的轉(zhuǎn)速和相電流波形。

圖14 啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和輸入相電流波形

圖14 中的轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值是由所設(shè)計(jì)的程序設(shè)置，由于示波器不能直接觀察轉(zhuǎn)速，通過光電編碼器采集到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后輸入到示波器中。使用這種方法，可以間接觀察到轉(zhuǎn)速的變化。由圖14可以看出，由于使用的是變頻器軟啟動(dòng)，所以不會(huì)像仿真一樣產(chǎn)生超調(diào)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，最終達(dá)到1 000 r/min，同時(shí)相電流的頻率也逐漸達(dá)到50 Hz，并維持穩(wěn)定。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，空載的轉(zhuǎn)速和輸入相電流波形如圖15所示。觀察波形可以發(fā)現(xiàn)在輸入相電壓220 V，頻率50 Hz時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 000 r/min，并且電流峰峰值為2.425 A，電流峰峰值略大的原因是在實(shí)驗(yàn)中由于多種因素的影響，不能實(shí)現(xiàn)理想的空載，因此電流會(huì)略微偏大。

圖15 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速和相電流波形

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，提出了一種新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)，同時(shí)利用有限元仿真軟件對(duì)兩種電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性能進(jìn)行了比較驗(yàn)證。從結(jié)果的對(duì)比分析中可以看出新結(jié)構(gòu)反凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都要小于常規(guī)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)損耗和效率的表現(xiàn)上也更加優(yōu)異，計(jì)算結(jié)果符合所設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的要求，最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一致性滿足要求，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。