對防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的設(shè)計研究

辛佰富

摘要：近些年來伴隨著永磁電機制造技術(shù)以及永磁材料制造水平的日益提升，永磁電機的主要制造工藝以及技術(shù)問題已經(jīng)得到了有效的解決。為此，越來越多的企業(yè)與科研機構(gòu)立志于永磁同步電機的研究工作，以此研究出更多新產(chǎn)品好適應(yīng)于不同的應(yīng)用場合。鑒于此本文筆者即在梳理了國內(nèi)外學者以及相關(guān)工作人員對永磁電機的大量研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合個人研究經(jīng)驗，提出防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的設(shè)計研究，以供廣大同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：防爆型;永磁直驅(qū)三相同步電動機;電動機設(shè)計

前言：

因永磁同步電機本身的體積小，重量輕，噪音低，但效率卻相對較高等一系列的優(yōu)點，使得其應(yīng)用與發(fā)展前景都十分的廣泛。也正因如此，大力的推動與研究永磁同步電機則具有十分重要的現(xiàn)實意義。尤其是伴隨著近些年來能源消耗量的日益上漲，人們更加熱衷于選擇節(jié)能型的高效電機，以滿足需求的快速增加。而防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機，因其本身的可靠性較高、帶載能力較強，且具有節(jié)能減排的作用，在現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)之中更是得到了日益廣泛的應(yīng)用。鑒于此種情況筆者在查閱了大量相關(guān)參考文獻的前提下，結(jié)合已有的低速永磁直驅(qū)同步電機為例，對防爆型低速直驅(qū)永磁電機的設(shè)計思路展開進一步的研究。

1.防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的設(shè)計過程

雖然在不同負載類型下應(yīng)用的永磁同步電機，其具體的工況不盡相同，但是基本的電機設(shè)計理念是一致的，主要的問題均都集中在如何將低頻轉(zhuǎn)矩脈動得以有效的消除之上。所以，對于低速高扭矩的永磁同步電動機而言，其設(shè)計關(guān)鍵應(yīng)該在于如何進一步消除諧波引發(fā)的轉(zhuǎn)矩脈動問題。通常情況下，非正弦氣隙磁場會引發(fā)轉(zhuǎn)矩的波動，因此在設(shè)計低速扭矩電動機或者是高扭矩電動機時，都應(yīng)該盡可能的確保氣隙磁場為正弦。

在設(shè)計低速直驅(qū)永磁同步電機時，其研究熱點應(yīng)該放在如何選擇轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)上，如何優(yōu)化極槽配合上，如何抑制齒槽轉(zhuǎn)矩上，如何提升轉(zhuǎn)矩密度上等諸多方面。而不同的應(yīng)用場合與不同的額定參數(shù)，恰恰決定了電動機在實際設(shè)計過程中應(yīng)該選取的不同方案參數(shù)。為此，本文筆者將應(yīng)用場合定位于礦用驅(qū)動設(shè)備之上，旨在設(shè)計一臺符合現(xiàn)場應(yīng)用需求的防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機，并以一臺額定功率為160kW，額定轉(zhuǎn)速為60r/min，額定轉(zhuǎn)矩為25466N·m的隔爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機為例，從上述幾個研究熱點進行優(yōu)化改進，從而對電動機的性能加以優(yōu)化，降低電動機的實際體積與成本。

具體而言，在低速直驅(qū)永磁同步電機的設(shè)計過程中，應(yīng)使用多極結(jié)構(gòu)，以此降低額定的同步轉(zhuǎn)速，并在大扭矩的前提下，進一步減少電動機額定電流，使得每極都能夠具備足夠強的激勵磁場。而勵磁面積又直接會影響到永磁體能夠提供的磁場強度，因此永磁直驅(qū)同步電機可以采取切向式結(jié)構(gòu)。

2.永磁直驅(qū)三相同步電動機轉(zhuǎn)矩脈動的優(yōu)化

眾所周知，轉(zhuǎn)矩脈動不僅會影響伺服系統(tǒng)的控制精確度，還會引發(fā)電機振動、機械噪聲等問題，甚至會直接影響到整個電動機的運行可靠性。所以，絕大多數(shù)應(yīng)用場合需要的都是平滑的轉(zhuǎn)矩。而永磁直驅(qū)三相同步電動機之所以發(fā)生轉(zhuǎn)矩脈動問題，歸根結(jié)底還是因為齒槽轉(zhuǎn)矩與諧波電磁轉(zhuǎn)矩造成的。其中，齒槽轉(zhuǎn)矩可謂是永磁電動機的一種固有現(xiàn)象，當定制繞組中的電流為零時，永磁體與開槽定子鐵心之間相互作用下便會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩;而諧波電磁轉(zhuǎn)矩則是由于電壓諧波分量與電流諧波分量，這二者之間的互相作用產(chǎn)生諧波電磁轉(zhuǎn)矩。所以，有效的降低轉(zhuǎn)矩脈動，便要同時削弱齒槽轉(zhuǎn)矩與諧波電磁轉(zhuǎn)矩，這是永磁直驅(qū)三相同步電動機優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵所在。

受到電機定子表面開槽的影響，齒槽轉(zhuǎn)矩勢必會相應(yīng)產(chǎn)生。這是因為永磁轉(zhuǎn)子的磁極與定子槽，如若處于不相等的前提下，主磁路的磁導率勢必會相應(yīng)發(fā)生變化，電機的轉(zhuǎn)子更加傾向于在磁路磁導率最小的地方停止。而實際上電動機里面的永磁體始終會受到磁芯的吸引，也就使得各個永磁體之間會產(chǎn)生一種聯(lián)合性吸引力，轉(zhuǎn)子會停止在聯(lián)合吸引力為零的位置之上。如若轉(zhuǎn)子的角度旋轉(zhuǎn)相對較小，那么永磁體遠離初始的平衡位置之時，定子鐵心便會對永磁體產(chǎn)生吸引，而這個吸引力則會阻止轉(zhuǎn)子遠離平衡位置，并產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，阻止轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁極位置的具體變化情況，如圖1所示。由此可以清楚的看出，當磁極極間中線處于零點位置時，磁阻轉(zhuǎn)矩為零;而當轉(zhuǎn)子移開，磁極極間中線于零點位置偏離開，因磁阻的變化隨之產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，試圖將轉(zhuǎn)子重新拉回到平衡位置之上。為此不少參考資料也對此展開了相應(yīng)的公式計算得出結(jié)論，即：具有相同槽數(shù)的分數(shù)槽繞組電機，其本身的基波齒槽轉(zhuǎn)矩的周期，為整數(shù)槽繞組電機的N倍，這就充分說明了使用分數(shù)槽繞組能夠有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

齒諧波會造成點擊低頻轉(zhuǎn)矩脈動以及電磁噪聲等問題，因此通常情況下要想有效消除齒諧波往往會采取斜槽方法。然而由于永磁體的形狀通常都為長方體，使用轉(zhuǎn)子斜槽在一定程度上會加大永磁體的實際安裝難度。所以，多采取定子斜槽這種方法消除齒諧波。

而在多極低速永磁直驅(qū)同步電動機的設(shè)計過程中，由于對定子槽的數(shù)目有著一定的限制，無法使用整數(shù)分布繞組的方式，對反電勢形諧波加以削弱。因此，最為理想的選擇應(yīng)該是真分數(shù)槽集中繞組。

所以，本文設(shè)計研究的防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機，其定子繞組可采取集中分數(shù)槽繞組方式，電機繞組可以采取雙層疊繞組。

3.永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對于永磁電機而言，其本身性能的優(yōu)劣在很大程度上直接受到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)的決定，具體包括：選取合適的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，選取合適的極弧系數(shù)、選取適合的磁性材料，做好轉(zhuǎn)子的隔磁優(yōu)化等。

首先，按照不同的安裝形式可以將永磁電機的磁極形式分為兩種，即表面式、內(nèi)置式;按照永磁體的不同激勵方式，還可以將將永磁電機的磁極形式分為徑向結(jié)構(gòu)、切向結(jié)構(gòu)、混合式，這三種。由于在直驅(qū)永磁同步電機中，其本身的極數(shù)相對較多，混合式的工藝與設(shè)計相對復雜，實際應(yīng)用也相對較少。

其次，選擇不用的磁極電弧系數(shù)往往會影響到電樞繞組的電磁場波形以及電機的輸出。所以，在低速大扭矩驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計過程中，永磁同步電機要想消除諧波對電樞繞組電磁場波形產(chǎn)生的影響，可以從極弧系數(shù)的合理選擇入手。為此，結(jié)合電機理論，可以用傅立葉極數(shù)分解將矩形波磁密度分布分解為空間諧波，即：

公式中：Bm表示氣隙磁密幅值;k表示諧波次數(shù)，為奇數(shù);θe為沿氣隙圓周的電弧度。

如若此時通過對漏磁小大的適當調(diào)整，對極弧系數(shù)進行合適的選擇，使得氣隙磁密波形呈現(xiàn)出準梯形的分布態(tài)勢時，那么則可以借助Fourier級數(shù)進行分解，使其成為空間隔磁諧波，即：

公式中：α為主磁極極弧短距角的一般。

通過公式1與公式2的比較，可以清楚的看到公式2是公式1的sin kα/kα倍，這也就說明了對于削弱基波而言，僅為sin α/α倍，當α≤π/6時，其數(shù)值幾近于1;而對于各次諧波卻只能減少為1/k倍，這完全可以通過kα=π，對某一鐵定諧波進行消除。所以，結(jié)合電機理論得出結(jié)論，通過三相對稱繞組的連接，可以消除能過被3整除的奇次諧波。因此，永磁直驅(qū)同步電機的設(shè)計過程中，5次與7次諧波應(yīng)該是最值得關(guān)心的，最為理想的選擇應(yīng)該為：。

最后，隨著釹鐵硼永磁體能量密度的顯著提升，釹鐵硼儼然已經(jīng)成為電機設(shè)計過程中首選的永磁材料。需要注意的是永磁體的環(huán)境溫度與磁密有著密切聯(lián)系，所以在計算永磁體時，也要對其工作溫度時的性能予以計算。本文選用N38SH型號的永磁體，其具體性能見表1所示。

4.永磁電機電磁方案的優(yōu)化設(shè)計

選取與匹配定轉(zhuǎn)子的參數(shù)，可謂是永磁電機電磁方案優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容所在。因此，在電機的實際設(shè)計過程中，就必須要根據(jù)實際的要求與額定的參數(shù)，對電機的定轉(zhuǎn)子沖片尺寸進行合理的設(shè)計。

在定子槽數(shù)的確定上，因本次設(shè)計研究的電機，其額定轉(zhuǎn)速為60r/min，電機的運行效率最好選擇為20HZ以上，以便于更好的滿足多級少槽電機的實際設(shè)計特點。所以，在綜合了電機的實際尺寸以及諧波削弱，繞組因數(shù)高度等情況下，可確定40級48槽最為適合。

在定子槽型的實際設(shè)計過程中，為了確保定子鐵心能夠擁有足夠的強度，有效減少附加損耗，定子沖片槽形的寬度尺寸與定子齒距尺寸，二者之間的比值必須小于0.55，且沖片軛部的高度不得低于0.6倍的槽深，可將定子槽口的高度設(shè)置為1.5。而為了提高定子槽的實際利用率，保證定子齒部磁密均勻，避免出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象，在確保電磁性能的前提下，可以采取梨形槽，平行齒這種形式。

正是因為氣隙尺寸能夠?qū)β┐偶右钥刂?，能夠有效減少磁鋼的用量，進而大大降低電機的制造成本。所以，根據(jù)以往的電機設(shè)計經(jīng)驗以及相關(guān)參考文獻的計算程序驗證，本文電機設(shè)計選擇的氣隙尺寸為1.5mm，相應(yīng)的磁極結(jié)構(gòu)采取2倍不均勻氣隙設(shè)計。

由于設(shè)計的永磁直驅(qū)同步電動機屬于少槽多級結(jié)構(gòu)，為了獲得更打的勵磁面積，可采取切向式結(jié)構(gòu)，以及非導磁隔磁環(huán)這種隔磁措施。

做好極槽配合、定子槽型、氣隙尺寸等相關(guān)參數(shù)的確定，可利用Matlab路算法經(jīng)過反復的迭代計算，得出最優(yōu)的電磁設(shè)計方案。

5.防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的電磁建模與試驗

通過有限元法建設(shè)防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的電磁設(shè)計模型，在此之前應(yīng)做出如下三點假設(shè)：第一，對磁場在定子圓周橫截面上的變化進行忽略，將電機磁場的實際分布等效看做二維場用來求解計算;第二，認定永磁體磁導率沿各個方向都是相同的;第三，對鐵心飽和影響進行忽略，認定鐵心材料各向都是同性的，B-H特性曲線為單值，為了盡可能的減少計算量，在建模時僅對八分之一的電機模型進行構(gòu)建。

確定好防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的電磁設(shè)計方案以后，通過二維有限元計算模型，對空載工況、負載工況的相應(yīng)磁場情況加以分析，對空載反電勢幅值、徑向氣隙磁密諧波寒含量展開分析，研究永磁電機削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，對仿真的有效性展開進一步驗證。

同時，還要對電機機殼、端蓋等，利用有限元軟件展開模態(tài)分析，得要相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)與位移數(shù)據(jù)，以驗證本次電機設(shè)計的防爆性能，判斷電機機構(gòu)是否合理。

結(jié)論：

本文首先闡述了防爆型低速永磁直驅(qū)三相同步電動機的設(shè)計思路與設(shè)計方法，之后根據(jù)永磁直驅(qū)三相同步電動機的應(yīng)用場合，展開了一系列的理論分析，并且利用有限元模型以及Ansys禮學分析軟件，對電動機的各項闡述進行校核計算，以此對電機設(shè)計的可行性與優(yōu)異性進行驗證。本次設(shè)計還存在許多的不足之處，僅供廣大同行參考借鑒。

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