磁極偏移與轉(zhuǎn)子鑿孔開槽對永磁同步電機(jī)性能的影響

方 超,黃開勝,吳幫超,黃光建,朱興旺

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

0 引 言

永磁同步電機(jī)是現(xiàn)代材料科學(xué)、電子電力技術(shù)和電機(jī)控制理論三者共同聯(lián)系發(fā)展的產(chǎn)物，其利用永磁體材料產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，區(qū)別于傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)的磁場由電流勵磁產(chǎn)生，同時從其它方面作對比，它具有一系列優(yōu)點，如功率密度高、體積小、效率高等。然而由于槽極配合不合理、永磁體形狀或?qū)挾炔缓线m、定子齒寬選擇不合理等多種因素影響，它們之間相互作用產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩過大，可能會對永磁電機(jī)平穩(wěn)運行造成不穩(wěn)定、產(chǎn)生較大的振動和噪聲[1]。因此，針對永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱研究尤為重要。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)關(guān)于永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究有很多。其中文獻(xiàn)[2]通過分析對整數(shù)槽進(jìn)行磁極偏移來降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，并實驗驗證了合適的磁極偏移有利于減小電機(jī)振動噪聲。文獻(xiàn)[3]研究了不同極槽配合對電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，同時分析了定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的徑向力波對永磁電機(jī)的振動和噪聲的規(guī)律。

本文采用了磁極偏移來降低永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，借助于Maxwell 2D軟件，利用其參數(shù)化掃描功能，對不同磁極偏移角度進(jìn)行仿真；隨即在磁極偏移后的基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子進(jìn)行鑿孔開槽進(jìn)而降低轉(zhuǎn)動慣量，同時提高電機(jī)動態(tài)響應(yīng)能力；最后制作樣機(jī)，樣機(jī)測試結(jié)果驗證了該方法的正確性，對改善永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動具有參考價值。

1 永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的理論分析

根據(jù)對文獻(xiàn)[4]的研究，當(dāng)永磁電機(jī)考慮磁極偏移時，其齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:

Brbnzcos(nzα)]

(1)

式中:LFe為電樞鐵心長度；R1為電樞外徑；R2為電樞內(nèi)徑；Branz和Brbnz分別表示:

(2)

(3)

式中:αp為永磁體的極弧系數(shù)。

如果永磁體不偏移時被視作一種特定情況(θk=0)，此時Brbnz的值恒為零，整理Branz得:

(4)

只有當(dāng)n為Np倍數(shù)時，Branz才不為零，Np滿足:

(5)

式中：GCD(z,2p)為極數(shù)和槽數(shù)的最大公約數(shù)。

分析式(2)～式(4)可知，假如永磁體不偏移時，n只有取值為Np的倍數(shù)時，該次諧波幅值才不等于零。綜上所述，理論上經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇艠O偏移，能夠很好地削弱整數(shù)槽永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩[5-6]，且不會引入新的齒槽轉(zhuǎn)矩諧波。

2 磁極偏移對齒槽轉(zhuǎn)矩和氣隙磁場的影響

利用電磁場有限元分析軟件，分析磁極偏移角度不同時，永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值變化的情況，當(dāng)幅值最小時對應(yīng)最佳磁極偏移角度。磁極偏移方法：磁極2，3，6，7以縱軸Y為對稱軸相對偏移θ，磁極1，4，5，8以縱軸Y為對稱軸相對偏移3θ。

圖1 磁極偏移后示意圖

根據(jù)上述磁極偏移的方式，通過有限元軟件建模后運行計算，生成磁極偏移不同角度時齒槽轉(zhuǎn)矩的曲線，如圖2所示。從圖2可得，當(dāng)θ為1°時永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值達(dá)到最小，其值為0.18 N·m，比最初磁極不偏移時降低了87%，仿真結(jié)果表明磁極偏移能夠削弱永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，且削弱效果較為明顯。

圖2 不同磁極偏移角度對應(yīng)的齒槽轉(zhuǎn)矩

在有限元分析得出結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，得到不同磁極偏移時對應(yīng)的空載氣隙磁場波形，對其進(jìn)行傅里葉分解，整理結(jié)果如表1所示。當(dāng)磁極偏移角度為1°時，空載氣隙磁場基波幅值略有減小。隨著偏移角度的增大，空載氣隙磁場畸變率一直在增大，然而磁場諧波含量過多，可能導(dǎo)致永磁電機(jī)四階徑向力波數(shù)過多，進(jìn)而造成明顯的振動和噪聲[7-8]，對此可采取措施降低磁場諧波含量，如磁鋼偏心距優(yōu)化等方法。

表1 磁極偏移角度對應(yīng)的空載氣隙磁場

3 轉(zhuǎn)子開槽鑿孔對齒槽轉(zhuǎn)矩和氣隙磁場的影響

在確定最佳磁極偏移角度后，為了減小永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，提高電機(jī)控制時的動態(tài)響應(yīng)能力，便于轉(zhuǎn)子上的通風(fēng)降溫，對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了鑿孔和開槽處理，轉(zhuǎn)子鑿孔開槽的示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子鑿孔開槽示意圖

加載額定電流源，對電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到額定頻率下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩仿真曲線如圖4所示。同時給出轉(zhuǎn)子鑿孔開槽前后的參數(shù)對比，如表2所示。由表2可得，轉(zhuǎn)子鑿孔開槽對永磁電機(jī)的空載氣隙磁場諧波含量基本沒有影響，同時減小了輸出轉(zhuǎn)矩波動。

圖4 輸出轉(zhuǎn)矩仿真曲線

鑿孔前鑿孔后齒槽轉(zhuǎn)矩Tcog/(N·m)0．180．21空載磁場基波幅值B/T0．96520．9475空載磁場畸變率21．69%22．69%輸出轉(zhuǎn)矩To/(N·m)771744輸出轉(zhuǎn)矩波動1．64%1．54%

4 樣機(jī)的制作與試驗

根據(jù)以上有限元分析與仿真，采用上述方法對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計并制作了樣機(jī),如圖5所示。

(a) 轉(zhuǎn)子疊片

(b) 定子結(jié)構(gòu)

對樣機(jī)進(jìn)行試驗，實測樣機(jī)轉(zhuǎn)矩波動曲線如圖6所示，同時給出了測試數(shù)據(jù)與計算值對比結(jié)果，如表3所示。試驗結(jié)果表明，按照以上磁極偏移與轉(zhuǎn)子開槽鑿孔方案試制的樣機(jī)，測試性能良好，正常工作時其轉(zhuǎn)矩波動有了較為明顯的改善，對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考意義。

圖6 額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩波動實測曲線

比較項目計算值測試值誤差電壓U/V3553550線電流I/A3043070．9%轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)150015000輸出轉(zhuǎn)矩T/(N·m)7447500．8%輸出轉(zhuǎn)矩波動1．54%1．66%7．2%負(fù)載反電勢E/V327320-2．2%效率η96．2%95．5%-0．7%溫升t/℃—68—最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)2．112．151．9%

5 結(jié) 語

本文采用磁極偏移與轉(zhuǎn)子鑿孔開槽的方法對整數(shù)槽永磁同步電機(jī)進(jìn)行設(shè)計分析，研究了磁極偏移與齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式，仿真分析了磁極偏移和轉(zhuǎn)子鑿孔開槽分別對齒槽轉(zhuǎn)矩以及空載氣隙磁場的影響，并試制了樣機(jī)，試驗結(jié)果驗證了該電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計方法的可靠性。結(jié)果表明：

(1)磁極偏移可以有效地減小整數(shù)槽永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，且對于表貼式永磁電機(jī)來說操作簡單，有利于工程實踐，但磁極偏移會帶來空載氣隙磁場諧波含量的增加。

(2)在磁極偏移的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)子開槽鑿孔可以進(jìn)一步降低輸出轉(zhuǎn)矩波動，有利于永磁電機(jī)運行平穩(wěn)性，且對空載氣隙磁場諧波基本沒有影響。

[1] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M].北京:北京工業(yè)出版社,1997：163-164.

[2] 田燕飛，黃開勝.整數(shù)槽永磁同步電動機(jī)磁極偏移的分析與試驗[J].微特電機(jī),2014,42(4):28-30.

[3] 劉景輝，黃開勝.永磁同步電動機(jī)徑向電磁力的分析[J].微特電機(jī)，2013，41(5)：16-18.

[4] 楊玉波，王秀和等.磁極偏移削弱永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩方法[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2006,21(10):22-25.

[5] 田燕飛.小型三相永磁無刷直流電動機(jī)分析與設(shè)計[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2014:52-55.

[6] 郭仁，黃守道.一種基于磁極偏移的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩最優(yōu)削弱方法[J].微特電機(jī),2010, 38(10),46-50.

[7] 郝雪莉.永磁電動機(jī)電磁振動噪聲的計算分析研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué), 2010:46-47.

[8] 梁文毅.表貼式調(diào)速永磁同步電動機(jī)徑向磁拉力分析[J].微特電機(jī), 2011,39(5):22-24.