基于Maxwell 壓鑄機用永磁同步電動機優(yōu)化分析

楊國龍，黃開勝，陳文敏，鄭景東

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006;2.東莞電機有限公司，東莞523000;3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，湛江524000)

0 引 言

近年來，隨著鑄造行業(yè)的迅速發(fā)展，壓鑄機是現(xiàn)代壓力鑄造生產(chǎn)中不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)設(shè)備。通常以壓鑄件的要求作為壓鑄機發(fā)展方向，對于壓鑄件的應(yīng)用范圍很廣，在汽車等交通工具、機械、電子、電氣、通訊設(shè)備、精密儀表儀器、建筑構(gòu)件、高檔家電、體育用品和日用品等諸多行業(yè)中，都大量采用了壓鑄件，其中用量最多的是汽車工業(yè)［1］。同時人們對壓鑄機的要求越來越高，要求壓鑄機節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)緊密，而永磁同步電動機是一種新型的高效特種電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高效節(jié)能、功率密度高等特點，能夠廣泛應(yīng)用于壓鑄機行業(yè)中［2］。

永磁同步電動機一直存在齒槽轉(zhuǎn)矩的問題，過大的齒槽轉(zhuǎn)矩會導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，引起其振動和噪聲，更為嚴(yán)重的是影響電動機的性能，因此，削弱永磁同步電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩是高性能永磁同步電動機在設(shè)計和制造過程中必須考慮和解決的關(guān)鍵問題［3］。

本文針對一款壓鑄機用永磁同步電動機存在較大的轉(zhuǎn)矩波動，首先分析永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理，導(dǎo)出齒槽轉(zhuǎn)矩解析表達(dá)式。根據(jù)該款電動機的尺寸參數(shù)，利用Maxwell 2D 有限元軟件建立電動機有限元模型，通過對磁極的偏移角度進(jìn)行掃描分析得出，對磁極偏移恰當(dāng)?shù)慕嵌饶苊黠@削弱電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩［4］。根據(jù)優(yōu)化后電動機尺寸參數(shù)試制樣機，利用電機測試平臺，測得樣機的性能得到明顯改善，同時驗證Maxwell 2D 有限元仿真軟件正確性。

1 永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩的分析

1.1 齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理

當(dāng)永磁同步電動機繞組不通電時，永磁體與鐵心之間相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為齒槽轉(zhuǎn)矩。它由永磁體和電樞齒相互作用力的切向分量引起的，若永磁同步電動機的定、轉(zhuǎn)子之間有相對運動，基本能夠保持永磁體和永磁體極弧部分的電樞齒之間的磁導(dǎo)恒定，因此，該永磁體極弧部分對應(yīng)的電樞齒周圍的磁場也幾乎保持不變，但是在一段由永磁體兩側(cè)面對應(yīng)一個或兩個電樞齒組成的區(qū)域中，磁場儲能的變化是由于該區(qū)域磁導(dǎo)變化較大引起的，進(jìn)而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。在永磁電機繞組不通電時，其磁場能量W 對于定、轉(zhuǎn)子位置角α 的負(fù)導(dǎo)數(shù)被定義為齒槽轉(zhuǎn)矩，即:

1.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析

為便于分析，假設(shè)永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣相同，永磁電機的電樞鐵心磁導(dǎo)率為無窮大，因此電動機內(nèi)存儲的能量可近似為永磁體中儲存的磁場能量和電動機氣隙的磁場能量疊加，可表示:

永磁同步電動機的永磁體性能、結(jié)構(gòu)尺寸以及定、轉(zhuǎn)子之間的相對位置決定其磁場能量，氣隙磁密沿電樞表面分布可近似表示:

把式(3)代入式(2)進(jìn)行整理，又可以表示:

1.3 磁極偏移與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系分析

當(dāng)永磁同步電動機的磁極進(jìn)行磁極偏移后，在[－π，π ]上分別對(θ)和進(jìn)行傅里葉分解，(θ)的分布情況如圖1 所示，其中p 為電機的極對數(shù)，θ1～θ2p分別為各個磁極所偏移的角度。

圖1 永磁體偏移時(θ)示意圖

將式(4)～式(6)代入式(1)，得到磁極偏移后齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式:

式中:LFe為電樞鐵心的長度;R1為電樞外徑;R2為電樞內(nèi)徑;n 為使為整數(shù)的整數(shù)。Branz和Brbnz分別表示:

式中:dp為永磁體的極弧系數(shù)。當(dāng)永磁體不偏移時(即θk=0)，此時Branz的值恒為零，此時Branz可表示:

只有當(dāng)n 為Np的倍數(shù)時，Branz才不為零，Np滿足:

式中:2p 為電機極數(shù);z 為槽數(shù);GCD(z，2p)為2p 和z 的最大公約數(shù)。

由式(8)～式(10)分析可知，當(dāng)永磁體對稱分布時，n 只有取值為Np的倍數(shù)時，該次齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波才不為零。由此可得，磁極偏移對槽極配合為整數(shù)的永磁電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱效果明顯［6］。

2 永磁同步電動機主要參數(shù)及有限元模型建立

根據(jù)公司給定一款壓鑄機用永磁同步電動機的尺寸參數(shù)，基于Maxwell 2D 建立該款電機有限元模型。

永磁同步電動機主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 主要尺寸參數(shù)和指標(biāo)

利用ANSYS/Maxwell 分析永磁同步電動機瞬態(tài)的電磁過程。首先建立永磁同步電動機的有限元模型，如圖1 所示。建模步驟如下:

(1)根據(jù)給定的電動機尺寸參數(shù)和主要技術(shù)指標(biāo)，首先利用ANSYS/RMxprt 模塊對電動機進(jìn)行設(shè)計，再將電動機從RMxprt 模塊導(dǎo)入Maxwell 2D 模塊生成二維有限元模型。

(2)在Maxwell 2D 有限元模型中對定子、轉(zhuǎn)子鐵心材料及磁鋼屬性分別進(jìn)行重新設(shè)置。

(3)通過對電動機各自動生成的剖分尺寸分別進(jìn)行細(xì)剖分，細(xì)分尺寸為自動生成剖分尺寸的1/3 ～1/4，使之達(dá)到合理的剖分效果，從而使得仿真結(jié)果更為精確。

(4)確定電動機在求解過程中的激勵源、運動部分及邊界條件。

(5)確定電動機的額定負(fù)載、求解時間和步長。

利用Maxwell 獲得空載和負(fù)載情況下電動機的各種性能數(shù)據(jù)，為了使電動機更加符合實際工況下的空載運行條件，若要對電動機的瞬態(tài)磁場進(jìn)行空載仿真時，可設(shè)置電樞繞組的激勵為零。負(fù)載仿真時，電樞繞組的激勵設(shè)置為電流源，運動部分重新設(shè)置［7］。

圖2 永磁同步電動機有限元模型

3 分析磁極偏移對永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩影響

由于該款電動機磁極對稱分布，利用Maxwell有限元分析軟件，生成電動機1/2 模型。通過分析電動機磁極偏移不同角度時電動機齒槽轉(zhuǎn)矩變化的情況，從中找出最佳的磁極偏移角度使得齒槽轉(zhuǎn)矩最小。磁極偏移情況如下:磁極1、2 逆時針偏移，磁極3、4 順時針偏移，其中磁極2、3 偏移角度為θ1，磁極1、4 偏移角度為θ2，磁極位置及偏移方向如圖3所示。

圖3 磁鋼位置和偏移方向

根據(jù)實際工況確定偏移角度θ1，θ2的關(guān)系，取θ2=3θ1，在Maxwell 中將磁極偏移角度設(shè)為變量，并對偏移角度進(jìn)行掃描，得到齒槽轉(zhuǎn)矩最小的偏移角度，齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化曲線如圖4 所示。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化曲線

根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化曲線圖，記錄每一組［θ1，θ2］齒槽轉(zhuǎn)矩峰值的大小，選擇齒槽轉(zhuǎn)矩峰值最小的一組［θ1，θ2］作為磁極偏移的最佳角度，如表2 所示。

表2 磁極偏移的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值表

由表2 可以看出，電動機齒槽轉(zhuǎn)矩峰值并不是隨著磁極偏移的角度增大而單調(diào)遞減。而是隨著偏移的角度不斷增加而齒槽轉(zhuǎn)矩峰值逐漸變小，從而達(dá)到最佳的偏移角度，當(dāng)偏移角度大于最佳偏移角度時，偏移的角度增加會使齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值也逐漸增大。因此，存在一個最佳的偏移角度，使得齒槽轉(zhuǎn)矩峰值最小，此時當(dāng)磁極θ1偏移角度為0.5°，磁極θ2偏移角度為1.5°時，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值僅為0.104 N·m［8］。

4 永磁同步電動機有限元仿真結(jié)果分析

通過有限元分析軟件掃描及分析磁極偏移的角度，選取一組最佳偏移角度使得齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小作為磁極偏移的角度，將永磁同步電動機磁極未偏移和偏移合適角度的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比，如圖5 所示。

圖5 磁極偏移前后齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

由圖5 可得，電機磁極未偏移時齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為1. 209 N·m，磁極偏移后齒槽轉(zhuǎn)矩峰值僅為0.095 4 N·m，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值降低了1.11 N·m，磁極偏移后齒槽轉(zhuǎn)矩峰值僅占額定輸出轉(zhuǎn)矩0.023%。對磁極偏移后的電動機進(jìn)行仿真分析，得到該電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，如圖6 所示。

圖6 電動機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由圖6 得知，通過對該款電動機的磁極偏移合適角度后，使該電動機平均輸出轉(zhuǎn)矩為410.03 N·m，轉(zhuǎn)矩波動僅0.920 4 N·m，占額定轉(zhuǎn)矩0.22%，結(jié)果表明，該電機輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。

5 試制樣機并進(jìn)行驗證

利用有限元分析軟件得到磁極偏移的最佳角度，根據(jù)公司給定該款永磁同步電動機的尺寸參數(shù)，采用磁極最佳的偏移角度對磁極進(jìn)行偏移，制作樣機，如圖7 所示。

圖7 樣機定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

給該電動機施加340 V 相電壓，利用電動機的實驗平臺對樣機的性能進(jìn)行測試，得出實驗數(shù)據(jù)，將樣機測試數(shù)據(jù)與Maxwell 2D 仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如表3 所示。

表3 Maxwell 仿真值與樣機測試值

由表3 對比分析可得，Maxwell 軟件的仿真值與樣機測試值比較接近，誤差均在5%以內(nèi)，電動機的性能滿足給定要求。

6 結(jié) 語

本文針對一款壓鑄機用永磁同步電動機存在較大的齒槽轉(zhuǎn)矩，從而引起電機輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，采用磁極偏移方法降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩，利用Maxwell軟件分析獲得該款電機磁極偏移的角度，通過對磁極偏移合適角度使齒槽轉(zhuǎn)矩降低1.11 N·m。根據(jù)電機尺寸，制作樣機并進(jìn)行試驗驗證，樣機測試值與Maxwell 仿真值的誤差在5%以內(nèi)，在工程允許范圍內(nèi)，因此，對永磁同步電動機的磁極偏移合適角度后，電機運行平穩(wěn)，各項性能良好。目前，該款電機已小批量生產(chǎn)，電機實際使用效果良好，得到用戶的認(rèn)可及好評。

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