轉(zhuǎn)子導體內(nèi)置式永磁同步電機的設(shè)計與性能研究

王 抗， 鄧先明， 張志國

(中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州 221008)

0 引言

永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高、電機形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應用。我國稀土資源豐富，儲量占全球的75%，號稱“稀土王國”。大力研究和推廣永磁電機，實現(xiàn)節(jié)能降耗，對提高經(jīng)濟效益具有重要的現(xiàn)實意義［1］。

永磁同步電機的設(shè)計逐漸成為研究的熱點。在永磁電機的結(jié)構(gòu)中，定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體的安放形式方法各異，造成的結(jié)果就是其分析計算的復雜性要超過異步電機。大功率傳動系統(tǒng)迫切需要高效可靠的大功率永磁同步電機，但對于該電機的研發(fā)，現(xiàn)在還缺少必要的設(shè)計方法和實踐［2］。

表面式永磁同步電機是結(jié)構(gòu)最為簡單的永磁同步電機，與永磁體內(nèi)置式永磁同步電機相比，能夠提高轉(zhuǎn)子表面的平均磁密，是目前應用最廣泛的一種永磁電機，但是其轉(zhuǎn)子上沒有繞組結(jié)構(gòu)，不具備異步起動能力，在調(diào)速過程中動態(tài)響應能力較差。本文設(shè)計出具有起動能力的表面式永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子導體內(nèi)置式永磁同步電機結(jié)構(gòu)圖

該電機結(jié)構(gòu)就是在表面式永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部設(shè)置導體，使得電機在起動過程中，可以利用導體繞組形成的籠型繞組產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)異步起動。它無需變頻器即可直接由工頻電源起動，有著較高的應用前景。

1 電磁設(shè)計

1.1 主要尺寸比的選擇

由于永磁同步電機內(nèi)部要放置永磁體，因此要盡可能選擇小的主要尺寸比，使轉(zhuǎn)子的徑向尺寸較大，從而提供較大的空間來安放永磁體［1］。

1.2 電機氣隙尺寸的選擇

對于永磁同步電機來說，電機的氣隙長度對其性能的影響沒有異步電機那么強烈，電機的功率因數(shù)可以通過調(diào)整永磁體的用量來改變。為了便于安裝永磁體，也希望電機的氣隙能夠大一些，因此相比于異步電機，氣隙的寬度可以稍稍放大0.1～0.2 mm［1］。

1.3 電機定轉(zhuǎn)子的設(shè)計

定子的槽型和尺寸對電機的漏抗、槽滿率、齒部磁密、軛部磁密和機械強度都有著較大影響［3］，所選擇的定子槽型，其槽滿率要合適，齒部磁密和軛部磁密要適當，同時要滿足電機定子結(jié)構(gòu)的機械強度。在綜合考慮了這些要求之后，定子槽選擇了已經(jīng)得到廣泛應用的梨型槽［4］。

轉(zhuǎn)子槽的選擇要綜合考慮電機的起動性能、牽入同步性能、齒部磁密、軛部磁密和轉(zhuǎn)子機械強度等。籠型是電機轉(zhuǎn)子機械強度的重要保證，但是由于該永磁電機的轉(zhuǎn)子槽分布于永磁體之下，如果電機的端環(huán)面積小，易于出現(xiàn)斷條等故障。

由于電機轉(zhuǎn)子上附加有永磁體，電機的轉(zhuǎn)子不能斜槽，故可以考慮在電機的定子上采用斜槽措施來減小電機的雜散損耗，也將減少電機的噪聲和振動，提高電機運行的平穩(wěn)性。

1.4 永磁體設(shè)計

本文設(shè)計的永磁同步電機，其永磁體的形狀為矩形，在設(shè)計過程中主要考慮的是每極永磁體的總寬度和永磁體的充磁方向厚度。

在永磁體用量盡可能少的情況下，應當保證永磁體無論工作在何種惡劣的條件之下，不會發(fā)生永久性的不可逆去磁，保證永磁體在穩(wěn)態(tài)運行時有合理的工作點。由于永磁體充磁方向的長度會影響電機的直軸磁阻，在設(shè)計時應考慮到這一點。

每極永磁體的寬度決定了每極永磁體產(chǎn)生的磁通量，從而影響了每相繞組的感應電動勢，應使得永磁同步電機每相繞組的感應電動勢小于并接近于外加相電壓，同時保證電機磁密處于一個合理的范圍之內(nèi)。

1.5 電機的詳細參數(shù)

電機詳細參數(shù)如下:電機額定功率 PN=30 kW;相數(shù)m=3;額定線電壓UNl=380 V;額定頻率f=50 Hz;極對數(shù)P=2;額定效率ηN=98%;額定功率因數(shù) cos φN=0.95;額定轉(zhuǎn)速 nN=1 500 r/min;額定電流 IN=48.96 A;額定轉(zhuǎn)矩TN=190.98 N·m;氣隙長度 δ=0.07 cm;定子外徑 D1=43.26 cm;定子內(nèi)徑 Di1=28.5 cm;轉(zhuǎn)子外徑D2=28.36 cm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Di2=10 cm;定轉(zhuǎn)子鐵心長度L1/L2=21 cm/21 cm;定轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q1/Q2=72/54;永磁體磁化方向長度 hM=0.42 cm;永磁體寬度 bM=18.6 cm;永磁體軸向長度LM=21 cm;定子齒距t1=1.244 cm;定子齒寬 bt1=0.550 8 cm;定子軛高 hj1=4.88 cm;轉(zhuǎn)子齒距 t2=1.65 cm;轉(zhuǎn)子軛高度 hj2=7.933 cm;每槽導體數(shù)Ns=14;線徑d1=1.6 mm;槽滿率Sf=77.78%;節(jié)距 y=16;氣隙磁密 Bδ=0.660 1 T;定子齒磁密 Bt1=1.492 T;定子軛磁密 Bj1=1.614 T;轉(zhuǎn)子齒磁密 Bt2=0.895 9 T;轉(zhuǎn)子軛磁密Bj2=1.458 T;定子直流電阻 R1=0.032 2 Ω;轉(zhuǎn)子折算電阻 Rr=0.082 26 Ω;定子漏抗 X1=0.115 16 Ω;轉(zhuǎn)子漏抗 X2=0.139 9 Ω;直軸同步電抗 Xd=2.262 Ω;交軸同步電抗 Xq=5.975 Ω;鐵耗 PFe=0.993 kW;雜散損耗 Ps=0.231 9 kW;失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)T*po=2.148。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及有限元仿真

2.1 轉(zhuǎn)子及永磁體結(jié)構(gòu)的研究

相比于矩形永磁體，瓦片型永磁體的制造較為困難，其充磁的難度也較大，如果利用平行充磁的矩形永磁體代替徑向充磁或是Halbach充磁的永磁體，而使得電機的性能達到設(shè)計要求，將簡化電機的生產(chǎn)制造，降低電機的成本，提高永磁電機的市場競爭力，有利于永磁電機的推廣使用。

依據(jù)前文所述的永磁同步電機設(shè)計技術(shù)參數(shù)，每極下的永磁體寬度bM=18.6 cm，對于本文分析的電機而言，假設(shè)電機轉(zhuǎn)子的每個磁極由一個永磁體構(gòu)成，即電機每極下采用一塊長、寬、高為21 cm×18.6 cm×4.2 cm的永磁體制造，所獲得的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 每極單一永磁體電機結(jié)構(gòu)圖

電機的空載磁場是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，其大小和分布直接決定了空載磁場每極基波磁通值的大?。?］，進而對電機的轉(zhuǎn)矩、效率及工作特性等起著決定性的作用。

利用有限元軟件可以對該電機進行建模和仿真，利用Path Operation命令可以獲取轉(zhuǎn)子氣隙磁場的磁通密度分布結(jié)果，并通過List文件將其值導入MATLAB軟件，對其進行傅里葉分析處理，其結(jié)果如圖3(a)和3(b)所示。

由以上氣隙磁密分布可知，該電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的氣隙磁密值過低，遠低于預期值Bav=0.66 T，由電機氣隙磁密諧波的分析可知，其基波的含量不足，而對電機運行有害的諧波含量很高，以上問題的產(chǎn)生在于電機永磁體面對的氣隙寬度太大，減小氣隙的寬度，就能提高電機的性能。也就是說要使得電機的轉(zhuǎn)子鐵心尺寸盡可能占據(jù)定子內(nèi)部的空間。在該思路下，將每極的永磁體分為相同的兩段或更多段，并且盡量減小電機的氣隙寬度，對于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行有限元建模與仿真，并分析其氣隙磁密的分布，結(jié)果如圖4～圖6所示。

隨著電機結(jié)構(gòu)中每極下永磁體段數(shù)的增加，每一段永磁體所面對的氣隙寬度逐漸減小，電機氣隙的平均氣隙磁密得到了提高。電機結(jié)構(gòu)中每極下永磁體的個數(shù)為3時，轉(zhuǎn)子的形狀為正12邊形。此時電機氣隙磁密的平均值提高為0.637 T，基本達到了設(shè)計值。

圖3 每極單一永磁體電機氣隙磁密

圖4 每極兩段式與三段式永磁體電機結(jié)構(gòu)圖

進一步提高電機每極下永磁體段數(shù)，可以進一步提高電機的性能，但是提高的幅度有限，而且增加了電機制造的難度，在基本滿足電機設(shè)計性能的情況下，選擇每極下永磁體的段數(shù)為3段。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

分析該轉(zhuǎn)子的氣隙諧波磁場，氣隙磁密波的3次、5次、11次諧波的含量較高。對于5次諧波，在電機設(shè)計中，可以通過定子斜槽的方法來消除，但是對于電機氣隙磁密中的3次諧波，卻沒有控制上的有效手段將其消除，需要對電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行改進。

圖5 每極兩段式與三段式永磁體電機氣隙磁密分布

圖6 每極兩段式與三段式永磁體電機氣隙磁密諧波

改進電機氣隙磁密波形的思路是降低波形兩側(cè)的磁通密度值，或者是提高波形中心處的磁通密度值，使得電機氣隙磁密波形中的基波含量得以提高，并對其中的三次諧波產(chǎn)生抑制作用，如圖7所示。

圖7 矩形波諧波含量改善示意圖

對于連續(xù)分布的永磁體而言，其一極下中間段的永磁體不會出現(xiàn)分布于一極下兩側(cè)永磁體所必然出現(xiàn)的漏磁現(xiàn)象，即兩側(cè)永磁體所產(chǎn)生的磁通密度將由于漏磁的原因而低于中間段的永磁體所產(chǎn)生的磁通密度，這正是所希望達到的效果。所設(shè)計的新電機結(jié)構(gòu)如圖8所示，為每極永磁體集中式同步電機。

圖8 每極永磁體集中式同步電機結(jié)構(gòu)圖

對于該特殊結(jié)構(gòu)的永磁體面貼式同步電機，最令人關(guān)心的問題就是其空載氣隙磁密分布是否能夠有所改善。利用ANSYS軟件對此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了建模與仿真。

對比分析每極三段式永磁體同步電機和每極永磁體集中式同步電機的氣隙磁密諧波結(jié)果，如圖9和圖10所示，其中的高次諧波分量得到了很大程度的抑制，9次以上諧波的含量大大減少了。

圖9 每極永磁體集中式同步電機氣隙磁密分布

圖10 每極永磁體集中式同步電機氣隙磁密諧波

氣隙磁密基波的含量有了一定的增加，其值提高了4.03%。同時，3次諧波的含量減少了12.12%，5次諧波的含量減少了34.48%，電機轉(zhuǎn)子氣隙的磁密分布有了顯著改善。

3 新電機功角特性

利用傳統(tǒng)的路的計算方法，可以計算出不同功角之下的電機轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩為

其中的許多系數(shù)需要利用電磁計算和試驗得出。永磁電機的磁路結(jié)構(gòu)非常多樣，當進行新結(jié)構(gòu)的電機設(shè)計時，路的方法就難以滿足計算精度的要求，這時就需要用電磁場數(shù)值計算的方法來研究電機的性能。

電機作為一種機電能量的轉(zhuǎn)換裝置，其工作時的輸出轉(zhuǎn)矩是一個重要的量。利用ANSYS軟件，可以直接利用虛功力方法獲得電機在不同功角下的輸出轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同永磁電機功角特性曲線的比較

由功角特性曲線可以證明新轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢，在使用相同量的永磁材料的情況下，永磁電機在額定工作點的輸出轉(zhuǎn)矩達到了323.4630 N·m，遠遠超過了理論計算值190.98 N·m。新電機在整個工作范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩都超過了或達到了理論設(shè)計值。

由永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩表達式可知，電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由兩個部分組成的，一是由永磁磁場和定子磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩;二是由于交軸和直軸磁阻不等而引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。

對于每極永磁體集中式同步電機而言，由于永磁體集中分布，造成了電機交軸和直軸磁阻相差較大。由于永磁同步電機的直軸電抗小于交軸電抗，電磁轉(zhuǎn)矩的最大值相對應的功角將會大于90°，分析新電機功角特性曲線，本文電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在超過100°的位置，這與理論計算的結(jié)果118.6°基本吻合。

在整個功角特性的范圍內(nèi)，新電機的轉(zhuǎn)矩都有了明顯提高，這是氣隙磁密基波含量提高的必然結(jié)果。由于電機結(jié)構(gòu)的改變，還附加了一個額外的磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生有利于提升永磁同步電機的過載能力，使得電機獲得一個更大的失步轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié)語

本文依據(jù)常規(guī)異步電機的設(shè)計方法，結(jié)合永磁電機的特點，設(shè)計了一臺30 kW、具有自起動能力的面貼式永磁同步電機，對于電機的轉(zhuǎn)子永磁體安放結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過仿真，驗證了優(yōu)化設(shè)計的有效性。永磁電機的功角特性對于永磁傳動系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，本文利用有限元軟件ANSYS獲取了不同結(jié)構(gòu)電機的功角特性，證明了新轉(zhuǎn)子永磁電機的良好性能，并且該電機具備了普通面貼式永磁同步電機所不具備的異步起動能力。

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