攪拌機(jī)高效永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

楊 敏，麻建中，何志瞧，胡凱波，趙力航，盧琴芬

(1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121;2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121;3.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 金華 321110;4.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(PMSM)具有高效、高功率密度與高響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅替代了傳統(tǒng)非直驅(qū)系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，而且成為直驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軌道交通、國防軍工與航空航天等各行各業(yè)，功率與速度范圍寬[1]。

發(fā)電廠輔機(jī)系統(tǒng)需要大量的電機(jī)，例如風(fēng)機(jī)、粉碎機(jī)與攪拌機(jī)等，傳統(tǒng)設(shè)備采用工頻的三相感應(yīng)電機(jī)，系統(tǒng)的效率與功率因數(shù)低，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐步改造為變頻的三相感應(yīng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率與功率因數(shù)提升的目的。為了進(jìn)一步提高攪拌機(jī)的效率，目前設(shè)備改造進(jìn)入永磁同步電機(jī)替代三相感應(yīng)電機(jī)的階段，設(shè)計(jì)開發(fā)高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為重要的研究內(nèi)容。

PMSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有多種多樣，各具有優(yōu)點(diǎn)，電樞繞組與磁極結(jié)構(gòu)是關(guān)注的焦點(diǎn)[2-3]。電樞繞組結(jié)構(gòu)與極槽配合緊密相關(guān)，可分為端部重疊的結(jié)構(gòu)與端部非重疊的結(jié)構(gòu)。前者為常規(guī)的類型，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩密度高，缺點(diǎn)是端部較長，后者正好相反，這也是近年來研究熱點(diǎn)。相對于電樞繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究更多，最常見分為面貼式結(jié)構(gòu)(SPMSM)與嵌入式結(jié)構(gòu)(IPMSM)。面貼式結(jié)構(gòu)永磁體位置已經(jīng)固定，研究主要是磁極形狀，包括Halbach結(jié)構(gòu)與面包式結(jié)構(gòu)；嵌入式結(jié)構(gòu)永磁體位置與形狀都可以改變[4-6]，結(jié)構(gòu)類型繁多，主要有單層的一字形、V形、U形、W形以及多個(gè)單層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。相比較而言，IPMSM在轉(zhuǎn)矩密度、效率、功率因數(shù)等方面更具有優(yōu)勢。

IPMSM為了獲得高轉(zhuǎn)矩密度與低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在設(shè)計(jì)上的研究很多，如合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、削弱齒槽轉(zhuǎn)矩、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子分段斜極、交直軸電感計(jì)算與辨識(shí)、振動(dòng)噪聲與等[7-11]。本文針對熱電廠輔機(jī)系統(tǒng)的攪拌機(jī)設(shè)計(jì)了一種高效的IPMSM。首先，基于等效電路方法[12]，設(shè)計(jì)了單層一字形、V形、U形與W形四種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IPMSM，四種結(jié)構(gòu)采用同樣的定子；根據(jù)永磁體用量最小、效率與功率因數(shù)最大的原則，選擇了最優(yōu)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；最后，基于有限元模型分析了設(shè)計(jì)方案額定負(fù)載下的電磁轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩與三相電流。研究結(jié)論將為攪拌機(jī)的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)攪拌機(jī)的工作要求，所需要的IPMSM額定功率為45 kW，轉(zhuǎn)速為1500 r/min?；诠β逝c轉(zhuǎn)速的要求，IPMSM電樞繞組選擇傳統(tǒng)疊繞組結(jié)構(gòu)，并采用分布短距方式。電機(jī)的極數(shù)可以選擇4極或6極，4極時(shí)極距大，繞組端部長且定子轉(zhuǎn)子軛部易飽和；6極時(shí)能夠降低繞組端部和定子轉(zhuǎn)子軛部高度，因此在相同的空間范圍內(nèi)，定子的高度可以減小，從而氣隙面積增大，獲得更高的效率與轉(zhuǎn)矩密度，因此IPMSM設(shè)計(jì)為6極結(jié)構(gòu)，三相電樞繞組為雙層短路繞組，并采用定子斜槽方式。

轉(zhuǎn)子采用單層的磁極結(jié)構(gòu)，包括一字形、V形、U形與W形四種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。四種結(jié)構(gòu)的定子完全相同，軸徑也相同，也就是所轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑是保持不變的，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。為了簡化模型，在電磁分析中轉(zhuǎn)子沒有設(shè)置通風(fēng)孔。

圖1 設(shè)計(jì)的四種IPMSM結(jié)構(gòu)

表1 IPMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 方案設(shè)計(jì)

基于Easimotor軟件的等效電路模型，可以完成以上三種IPMSM的設(shè)計(jì)，圖2顯示了計(jì)算流程。

圖2 基于等效電路的IPMSM設(shè)計(jì)

首先輸入IPMSM的容量、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行溫度等設(shè)計(jì)要求，然后輸入定子結(jié)構(gòu)，包括鐵心沖片與定子繞組，四種IPMSM采用相同的定子結(jié)構(gòu)，接著在程序里面選擇轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置永磁體位置，盡量使得永磁體接近于氣隙部分，然后逐步計(jì)算永磁體用量從少到多(不同永磁體永磁高度與寬度)時(shí)的電機(jī)性能，直到效率與功率因數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，就可以獲得所需要的方案。

在計(jì)算程序中，也可以把永磁體的高度與寬度設(shè)置為參數(shù)化變量，同時(shí)設(shè)置好掃描范圍，程序?qū)⒌玫揭慌?jì)算結(jié)果，可以從中選擇符合設(shè)計(jì)要求且永磁體用量最小的方案。

表2顯示了計(jì)算結(jié)果。由表可見，U形IPMSM的性能更優(yōu)，其永磁體用量小，效率與功率因數(shù)都稍高，但過載倍數(shù)稍小。需要說明的是，效率計(jì)算主要包括了鐵耗、銅耗和設(shè)置的軸承摩擦損耗，沒有包括通風(fēng)損耗，所以效率值偏高。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)要求效率大于93.2%、功率因數(shù)大于0.9，因此，四個(gè)方案都能滿足性能指標(biāo)的要求，但是U形結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)，所以選擇其為最后的設(shè)計(jì)方案。

表2 IPMSM結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 磁場分布與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

磁路法設(shè)計(jì)基于等效電路，不能計(jì)算電機(jī)的磁場分布以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而這個(gè)兩者對電機(jī)設(shè)計(jì)也很重要，因此需要通過有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

在Easimotor的磁路計(jì)算中，可以直接建立2D有限元分析模型，包括空載與負(fù)載。在空載模型中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，定子三相繞組開路，可以計(jì)算得到三相空載反電動(dòng)勢與齒槽轉(zhuǎn)矩；在負(fù)載模型中，施加額定電壓，定子電流保持為額定電流，可以計(jì)算得到額定負(fù)載時(shí)的磁場分布與額定電磁轉(zhuǎn)矩。

3.1 空載性能

圖3顯示了計(jì)算得到空載情況下的磁場分布與反電勢。由圖可見，空載時(shí)只有磁橋部分處于飽和狀態(tài)，齒磁密與額部磁密都在允許范圍內(nèi)。

圖3 空載磁場圖

圖4顯示了三相反電勢。從波形看，基本接近與正弦。經(jīng)過FFT分析，基波有效值為367.3 V，諧波含量最大的是三次諧波，有效值為16.68 V，與基波之比為4.54%，其它的諧波分量都很小，由此可見，反電動(dòng)勢的諧波分量很小。圖5顯示了空載轉(zhuǎn)矩，其峰峰值在1.2 Nm以內(nèi)，跟額定轉(zhuǎn)矩相比，數(shù)值很小。

圖4 空載三相反電勢

圖5 空載齒槽轉(zhuǎn)矩

3.2 負(fù)載性能

圖6顯示了額定電流下的磁場分布，與空載相比，磁路磁密增大，尤其是齒部磁密增大比較明顯，但平均值仍然小于1.5 T。圖7顯示了電磁轉(zhuǎn)矩波形。由圖可見，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為286.98 Nm，轉(zhuǎn)矩峰峰值為16.44 Nm，主要為12次脈動(dòng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為5.729%。

圖6 額定負(fù)載下的磁場分布

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩波形圖

顯然，負(fù)載時(shí)候的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比空載時(shí)候大很多，這就因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)磁場的高次諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由圖1可見，定子繞組極距為6，節(jié)距為5，分布短距接法削弱了5,7磁諧波，最大的諧波分量為11,13次，這兩個(gè)高次諧波都將引起12次的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

4 結(jié) 論

本文針對發(fā)電廠輔機(jī)系統(tǒng)的攪拌機(jī)設(shè)計(jì)了一種高效永磁同步電機(jī)。首先分析了攪拌機(jī)的運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)了初步方案，在此基礎(chǔ)上基于Easimotor軟件設(shè)計(jì)了滿足效率與功率因數(shù)的四種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對比分析了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機(jī)性能的影響，結(jié)果表明U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有性能好、永磁體用量小的優(yōu)點(diǎn)。最后，采用有限元進(jìn)一步分析了U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)PMSM，重點(diǎn)分析了空載與負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，分析顯示齒槽對負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響較小，主要是由電樞磁場的高次諧波引起的，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在5.729%。分析表明，U形轉(zhuǎn)子PMSM滿足攪拌機(jī)的應(yīng)用需求。