內(nèi)置式永磁同步電機空載氣隙磁密研究

陳 榮，范承志 ，李灣灣

(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

0 引 言

永磁同步電機具有體積小、重量輕、效率高、功率密度大、工藝結構簡單等優(yōu)勢，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、航空航天及國防工業(yè)。但電機本身引起的齒槽轉(zhuǎn)矩會對輸出性能造成不可避免的影響，使電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動，出現(xiàn)振動和噪聲，限制了其在高精度傳動領域的應用，因而降低齒槽轉(zhuǎn)矩是解決該問題的有效途徑。

油田抽油機用電機周期負載變動較大，傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動效率和功率因數(shù)都較低，造成電能的浪費嚴重［1］。而永磁同步電機結構簡單，且能在輕載時具有較高功率因素，因而廣泛應用于抽油機驅(qū)動系統(tǒng)。

本研究以一臺油田用內(nèi)置“一”型永磁體同步電機為對象，討論永磁體不同位置結構、尺寸及隔磁橋長度對電機性能的影響，并優(yōu)化電機轉(zhuǎn)子結構以降低電機振動和噪聲。

1 內(nèi)置式永磁同步電機結構

內(nèi)置式永磁同步電機的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，電機模型如圖1 所示。其較表貼式永磁電機具有更好的抗不可逆退磁能力和機械強度。其不對稱磁路產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩可以提高電機功率密度和弱磁擴速能力［2-3］。

圖1 常見內(nèi)置永磁體同步電機模型

內(nèi)置永磁體同步電機磁路結構與永磁體尺寸、位置關系密切，考慮到稀土永磁體成本較高，設計時應盡量提高永磁體利用率。

由于鐵心磁導率較高，永磁體磁場容易在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成回路，一般需要采取相應的隔磁措施以減少漏磁，提高電機的電磁性能［4］。

文獻［5-7］通過對一臺4 極250 kW 異步起動永磁電機的分析，提出在合適的隔磁橋長度下通過削弱3次諧波的方法來優(yōu)化永磁體靠近氣隙時的空載氣隙磁密。文獻［8］通過對不同轉(zhuǎn)子結構進行電磁計算和機械強度計算，提出帶輔助隔磁橋的“V”形轉(zhuǎn)子相比于“一”形和“V”形轉(zhuǎn)子結構具有更好的強度，并通過優(yōu)化輔助隔磁橋尺寸更好地兼顧了結構強度和電磁性能。

2 樣機參數(shù)

筆者以一臺內(nèi)置式永磁同步電機為例展開研究，其基本參數(shù)如表1 所示。

定子采用傳統(tǒng)三相交流電機定子結構，采用短距單層繞組，轉(zhuǎn)子結構采用如圖1 所示?！耙弧毙谓Y構及“V”形結構，保證永磁體用量相同，為減少計算量，本研究取電機的1/6 模型進行討論。

表1 調(diào)速永磁同步電機基本尺寸

電機轉(zhuǎn)子結構尺寸參數(shù)如圖2 所示。

轉(zhuǎn)子隔磁橋可分為邊緣隔磁橋和磁極間隔磁橋，邊緣隔磁橋是永磁體到轉(zhuǎn)子外圓的最短距離，磁極間隔磁橋指的是N 極和S 極之間的間距，通常隔磁橋?qū)挾仍叫?，該部分的磁阻就越大，即越能限制漏磁，但同時機械強度限制了其不能過小。此外，隔磁橋長度也是一個重要參數(shù)。

圖2 “一”形永磁體轉(zhuǎn)子基本參數(shù)

永磁體尺寸與充磁方向長度及寬度有關，通常來說充磁方向長度通過影響電機的直軸電抗進而影響電機的許多性能［9-10］，而永磁體寬度則會影響向外提供磁通的面積，設計時應盡量使永磁體位于最佳工作點。

3 有限元仿真及結果

本研究在在已建立的物理模型基礎上，改變永磁體的位置和隔磁橋的尺寸，采用有限元仿真軟件Ansoft 對電機磁場進行仿真，并經(jīng)相應處理得到空載氣隙磁密波形、氣隙基波幅值以及正弦波畸變率隨永磁體尺寸變化的曲線。

3．1 邊緣隔磁橋?qū)蛰d氣隙磁密的影響

以“一”字形內(nèi)置永磁電機為例，初定永磁體充磁方向長度為4．5 mm，永磁體寬度為115．73 mm，改變永磁體的放置位置，使邊緣隔磁橋?qū)挾仍?．5 mm～5 mm之間變化。

氣隙磁密FFT 分析后發(fā)現(xiàn)諧波次數(shù)比較大的是3次、5 次和23 次。

基波幅值及各次諧波隨永磁體位置的變化曲線如圖3 所示。

圖3 氣隙基波幅值及諧波畸變率與隔磁橋?qū)挾汝P系

從圖3 中可以看出，氣隙基波幅值和諧波畸變率都隨永磁體與氣隙距離變大而減小，即永磁體較細長時氣隙正弦性較好且空載漏磁系數(shù)較小。

3．2 磁極間隔磁橋?qū)庀洞艌龅挠绊?/h3>

保持永磁體尺寸不變，確定“一”形轉(zhuǎn)子結構中邊緣隔磁橋?qū)挾葹? mm，更改N 極和S 極間隔磁橋?qū)挾葟? mm～10 mm 之間變化，結果顯示，當磁極間隔磁橋?qū)挾雀淖儠r，空載氣隙磁場分布基本沒有發(fā)生變化，這也證明了邊緣隔磁橋?qū)挾仁请姍C漏磁的主要決定因素。

3．3 永磁體尺寸優(yōu)化

本研究在上述“一”形永磁體轉(zhuǎn)子基礎上，保持永磁體體積不變，更改永磁體充磁方向長度。

根據(jù)經(jīng)驗公式［11］有:

式中:τ—電機的極距，τ = πD/2p;δ—電機的氣隙長度。

計算得:

永磁體充磁方向長度為3．5 mm～7 mm;

永磁體寬度應為72．2 mm～118．7 mm;

改變永磁體充磁方向長度在4．2 mm～7 mm 范圍內(nèi)變化;

對應的永磁體寬度在124 mm～74． 4 mm 之內(nèi)變化。

空載氣隙磁密基波幅值、氣隙平均磁密及正弦波畸變率如圖4 所示。

圖4 空載氣隙磁密與永磁體充磁方向的關系

由圖4 可以看出，在永磁體體積不變的情況下，增大永磁體充磁方向長度后氣隙基波幅值和平均磁密都下降了，而正弦波諧波畸變率在5．5 mm～7 mm 的充磁方向長度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定并較小，這有利于削弱電機轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。

3．4 不同轉(zhuǎn)子拓撲對比

除尺寸外，永磁體的不同位置也會造成氣隙磁場分布上的差異，同時也影響氣隙磁場的正弦性。下面對不同永磁體結構進行分析。

(1)分段永磁體

保持“一”形轉(zhuǎn)子結構永磁體充磁方向長度為4．5 mm，永磁體寬度為115．73 mm，隔磁橋等其他數(shù)據(jù)保持不變。本研究將永磁體分成兩段，研究永磁體間距與空載氣隙磁場分布的關系。

氣隙磁密隨分段永磁體間距的變化趨勢如圖5所示。

圖5 氣隙磁密隨分段永磁體間距的變化趨勢

從圖5 中可以看出，當分段永磁體間距增大時，氣隙磁密基波幅值有細微減小，同時正弦性變差，這是因為分段永磁體降低了聚磁效果。

(2)V 形轉(zhuǎn)子結構

改變永磁體中心到轉(zhuǎn)軸的距離即可將“一”形永磁體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”形永磁體轉(zhuǎn)子，研究了不同夾角對空載氣隙磁密的影響。

“V”形永磁體轉(zhuǎn)子基本尺寸參數(shù)如圖6 所示。

圖6 “V”形永磁體轉(zhuǎn)子基本參數(shù)

空載氣隙磁場波形幅值、氣隙磁場波形平均值及諧波畸變率均如圖7 所示。

從圖7 中可以看出，當V 形頂點離開軸心越遠時(即永磁體夾角變大)，氣隙磁場波形幅值和氣隙平均值都有明顯的提高，而且氣隙正弦化也有所改善，因此“一”形轉(zhuǎn)子結構在材料利用上優(yōu)于“V”形結構，但“V”形結構具有更好的機械結構強度和更高的凸極率［12-14］，更能夠適應高速運轉(zhuǎn)時的機械應力。

圖7 V 形永磁體拓撲與空載氣隙磁密的關系

4 結束語

計算了隔磁橋?qū)挾取⒂来朋w分段和“V”形轉(zhuǎn)子拓撲對空載氣隙基波幅值及諧波畸變率的影響。仿真結果表明，充分考慮機械強度情況下選擇較小的隔磁橋有利于減少電機漏磁并提高永磁體利用率。在永磁體用料相同情況下，“一”形永磁體結構比“V”形結構具有更高的氣隙基波幅值和更好的正弦性，但機械強度和凸極率有待進一步研究。

隔磁橋及永磁體尺寸是永磁電機的磁場設計的關鍵，合理的選擇隔磁橋可以提高永磁體利用率并改善空載氣隙磁場正弦性，進而降低電機運行的噪聲和轉(zhuǎn)矩波動。

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