表面-內(nèi)置式永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙素珍,司紀(jì)凱,封海潮,張新良,封孝輝

(1.河南理工大學(xué),焦作454003;2.華北科技學(xué)院,北京101601)

0 引 言

表面-內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SIPMSM),綜合了表面式和內(nèi)置式永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),減小漏磁,省去隔磁橋,提高機(jī)械強(qiáng)度,擁有較高的過(guò)載能力。然而在SIPMSM中,永磁體與有槽電樞鐵心相互作用產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此對(duì)于齒槽轉(zhuǎn)矩的研究一直都很受關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4]采用解析法與有限元法相結(jié)合的方法研究槽口寬度對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。先確定對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有影響的氣隙磁導(dǎo)平方的傅里葉分解次數(shù),再計(jì)算槽口寬度變化對(duì)氣隙磁導(dǎo)平方的傅里葉分解次數(shù)的影響,最終確定最佳槽口寬度。該方法既確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性,又減少了計(jì)算時(shí)間。文獻(xiàn)[5]基于單個(gè)槽口和一個(gè)磁極中心產(chǎn)生的齒槽拉力的移相疊加模型,采用有限元分析永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與槽口寬度的關(guān)系。在特定槽口寬度下疊加的轉(zhuǎn)矩會(huì)互相抵消并發(fā)生周期畸變的情況,這樣能使轉(zhuǎn)矩最小化。文獻(xiàn)[6-9]提出了采用磁極形狀、極弧系數(shù)組合、等半徑磁極、靜態(tài)偏心、極數(shù)和槽數(shù)配合等方法減小齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[10]具體分析了定子開焊槽對(duì)永磁電機(jī)空載反電勢(shì)的影響,并研究了焊槽的不同位置對(duì)反電勢(shì)的影響,提出優(yōu)化焊槽尺寸和選擇合理的焊槽數(shù)量的方案。本文對(duì)SIPMSM進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)改變定子槽型削弱齒槽轉(zhuǎn)矩、降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、降低空載反電勢(shì)諧波含量,提高電機(jī)的工作性能。通過(guò)有限元仿真,驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

1 SIPMSM的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

SIPMSM采用表面-內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),表面式永磁體具有引導(dǎo)磁通和聚磁的效果,使得該電機(jī)漏磁少,內(nèi)置式永磁體周圍無(wú)漏磁磁通,表面式永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心之間有少量漏磁,又由于表面式永磁體與內(nèi)置式永磁體形成磁路上的串聯(lián)關(guān)系,因此SIPMSM有效磁通較高。SIPMSM結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要參數(shù)如表1所示。

表1 SIPMSM參數(shù)

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

SIPMSM有限元仿真模型如圖2所示。

圖2 SIPMSM有限元仿真模型

2.2 SIPMSM仿真結(jié)果

通過(guò)仿真可得SIPMSM額定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩如圖3所示。一個(gè)齒距上的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖4所示,空載反電勢(shì)如圖5所示。

圖3 SIPMSM額定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩

圖4 SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩

圖5 SIPMSM空載反電勢(shì)及頻譜分析

由圖3可知,SIPMSM平均轉(zhuǎn)矩為43.46 N·m,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為12.05%。由圖4可知,SIPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值為2.7 N·m。由圖5可知,SIPMSM空載反電勢(shì)基波分量有效值為189.15 V,諧波含量為32.37%。

由以上計(jì)算結(jié)果可知,SIPMSM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、齒槽轉(zhuǎn)矩大、空載反電勢(shì)諧波含量大,因此需要對(duì)SIPMSM的定子槽型進(jìn)行優(yōu)化。

3 SIPMSM定子槽型優(yōu)化

影響永磁電機(jī)的輸出性能有兩種轉(zhuǎn)矩:一種是由定子磁動(dòng)勢(shì)諧波與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波相互作用產(chǎn)生的紋波轉(zhuǎn)矩;另一種是由于永磁體與定子齒之間相互作用力產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩。所以只要削弱齒槽轉(zhuǎn)矩就可以改變SIPMSM的特性。因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩是永磁體與定子齒之間的靜態(tài)力,所以本文采用閉口槽代替半閉口槽可有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)在采用閉口槽也很方便嵌線,目前有一種加工工藝是將定子做成兩個(gè)部分,一部分為定子軛,另一部分為定子齒。先在定子齒部分繞好線,然后再與定子軛直接扣接起來(lái),方便嵌線。閉口槽型如圖6所示。

圖6 SIPMSM定子槽型

為了對(duì)比分析不同槽口型的不同槽口拱高變化對(duì)SIPMSM的影響,使用有限元法仿真計(jì)算了SIPMSM不同槽口拱高時(shí),SIPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢(shì)。表2和表3分別為尖口型閉口槽和平口型閉口槽的齒槽轉(zhuǎn)矩,并分別與半閉口槽的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比。

表2 SIPMSM尖口型閉口槽齒槽轉(zhuǎn)矩

表3 SIPMSM平口型閉口槽齒槽轉(zhuǎn)矩

由表2可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨之減小,相對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩下降逐漸增大。由表3可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨之減小,相對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩下降逐漸增大。對(duì)比表2和表3可知,尖口型閉口槽和平口型閉口槽在拱高為0.4 mm時(shí),尖口型閉口槽齒槽轉(zhuǎn)矩峰值比平口型閉口槽的小0.28 N·m,相對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩下降比平口型閉口槽下降10.37%,優(yōu)化效果更突出。對(duì)于表2和表3中,個(gè)別不符合整體減小趨勢(shì)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值可以考慮忽略。

SIPMSM尖口型閉口槽和平口型閉口槽的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以及各自和半閉口槽的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)比,分別如表4和表5所示。

表4 SIPMSM尖口型閉口槽轉(zhuǎn)矩

表5 SIPMSM平口型閉口槽轉(zhuǎn)矩

由表4可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)隨之減小,相對(duì)轉(zhuǎn)矩和相對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)逐漸增加。當(dāng)尖口型槽口拱高為0時(shí),平均轉(zhuǎn)矩下降的幅度最小和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降最多。由表5可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是減小的,相對(duì)轉(zhuǎn)矩和相對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是逐漸增加的。綜合平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)考慮,當(dāng)平口型槽口拱高為0.3 mm時(shí)的效果是最好的。對(duì)比表4和表5可知,對(duì)于同樣的槽口拱高,尖口型閉口槽的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要比平口型閉口槽小,但平均轉(zhuǎn)矩比平口型閉口槽大。對(duì)于表4和表5中,有個(gè)別轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不符合減小的趨勢(shì)是因?yàn)樗鼈兊凝X槽轉(zhuǎn)矩大小不同引起的。

SIPMSM三種槽型的齒部磁密如圖7所示,其中圖7(a)是半閉口槽齒部磁密,圖7(b)是尖口型閉口槽齒部磁密,圖7(c)是平口型閉口槽齒部磁密。

圖7 SIPMSM三種槽型的齒部磁密

由圖7可知,半閉口槽齒部磁密很小,幾乎沒(méi)有漏磁。尖口型閉口槽和平口型閉口槽的齒部磁密都比較大,尤其是槽口拱高處的磁密。尖口型閉口槽和平口型閉口槽漏磁較多,導(dǎo)致平均轉(zhuǎn)矩降低。這就是尖口型閉口槽和平口型閉口槽平均轉(zhuǎn)矩減小的原因。雖然平均轉(zhuǎn)矩有所降低,但轉(zhuǎn)矩下降的比率較小,而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降的比率較大。比如當(dāng)采用尖口型閉口槽拱高為0時(shí),平均轉(zhuǎn)矩下降0.07%,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降14.36%。因此本文采用閉口槽可以改善SIPMSM的性能。

SIPMSM尖口型閉口槽、平口型閉口槽和半閉口槽的空載反電勢(shì)基波有效值及諧波含量對(duì)比分別如表6和表7所示。

表6 SIPMSM尖口型閉口槽空載反電勢(shì)

表7 SIPMSM平口型閉口槽空載反電勢(shì)

由表6可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,空載反電勢(shì)基波有效值隨之減小,諧波含量基本不變。由表7可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,空載反電勢(shì)基波有效值隨之減小,諧波含量基本不變。對(duì)比表6和表7可知,兩種槽型與半閉口槽空載反電勢(shì)基波有效值相比差別不大,但諧波含量有所下降,尖口型閉口槽諧波含量減小比平口型閉口槽明顯。當(dāng)拱高為0.5 mm時(shí),尖口型閉口槽相對(duì)諧波含量下降比平口型閉口槽大5.31%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用有限元法計(jì)算了不同定子槽型的不同拱高對(duì)SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和空載反電勢(shì)的影響,對(duì)比分析優(yōu)化前的結(jié)果得出以下結(jié)論:

(1)在削弱齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí),采用拱高都為0.8 mm的尖口型閉口槽和平口型閉口槽的優(yōu)化效果是相同的,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值都為0.23 N·m,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值都降低了91.48%,因此兩種槽型都可以采用。

(2)在降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí),綜合考慮平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)兩項(xiàng)指標(biāo),拱高為0時(shí)的尖口型閉口槽優(yōu)化效果最好,平均轉(zhuǎn)矩為43.43 N·m,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降14.36%。拱高為0.3 mm的平口型槽口時(shí)的效果是最好的,平均轉(zhuǎn)矩為41.71 N·m,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降10.09%。因此采用拱高為0時(shí)的尖口型閉口槽。

(3)在優(yōu)化空載反電勢(shì)時(shí),綜合考慮空載反電勢(shì)基波有效值和諧波含量?jī)身?xiàng)指標(biāo),拱高為0.1 mm的尖口型閉口槽優(yōu)化效果最好,空載反電勢(shì)基波有效值為189.63 V,諧波含量下降12.49%;拱高為0.1 mm的平口型閉口槽優(yōu)化效果最好,空載反電勢(shì)基波有效值為187.53 V,諧波含量下降10.07%。因此采用拱高為0.1 mm的尖口型閉口槽。

綜合不同定子槽型的不同拱高對(duì)SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和空載反電勢(shì)的影響,平口型閉口槽沒(méi)有尖口型閉口槽優(yōu)化效果好,而拱高為0.2 mm的尖口型閉口槽優(yōu)化效果最好,因此本文最終采用拱高為0.2 mm的尖口型閉口槽。

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