調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析

1、調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)分析1 引言與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定；功率密度大；損耗小，效率高；電機(jī)形狀和尺寸靈活多變等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及器件價(jià)格的不斷下降，越來(lái)越多的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被由變頻電源和交流電動(dòng)機(jī)組成的交流調(diào)速系統(tǒng)所取代，變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。變頻調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩類,一類是反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是理想矩形波(實(shí)際為梯形波)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),另一類是兩種波形都是正弦波的一般意義上的永磁同步電動(dòng)機(jī)。這類電機(jī)通常由變頻器頻

2、率的逐步升高來(lái)起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子上可以不用設(shè)置起動(dòng)繞組。本文使用Ansoft Maxwell軟件中的RMxprt模塊進(jìn)行了一種調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行了性能和參數(shù)的計(jì)算，然后將其導(dǎo)入到Maxwell 2D中建立了二維有限元仿真模型，并在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)的基本特性進(jìn)行了瞬態(tài)特性分析。2 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)2.1 額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)主要包括主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度的確定、定子沖片設(shè)計(jì)、定子繞組的設(shè)計(jì)、永磁體的設(shè)計(jì)等。通過改變電機(jī)的各個(gè)參數(shù)來(lái)提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。本例所設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)及其性能指標(biāo)如下：額定

3、數(shù)據(jù)數(shù)值額定功率相數(shù)額定線電壓額定頻率極對(duì)數(shù)額定效率額定功率因數(shù)絕緣等級(jí)B級(jí)計(jì)算額定數(shù)據(jù)：(1) 額定相電壓：(2) 額定相電流：(3) 同步轉(zhuǎn)速：(4) 額定轉(zhuǎn)矩：2.2 主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度的確定永磁電機(jī)的主要尺寸包括定子內(nèi)徑和定子鐵心有效長(zhǎng)度，它們可由如下公式估算得到： ，式中，為定子內(nèi)徑，為定子鐵心長(zhǎng)度，為計(jì)算功率，為電機(jī)常數(shù)。為額定負(fù)載時(shí)感應(yīng)電勢(shì)與端電壓的比值，本例取0.96；為計(jì)算極弧系數(shù)，初選0.8；為氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)，當(dāng)氣隙磁場(chǎng)為正弦分布時(shí)等于1.11；為電樞的繞組系數(shù)，初選0.92。為電機(jī)的線負(fù)荷，為氣隙磁密，和的選擇非常重要，直接影響電機(jī)的參數(shù)和性能，應(yīng)從電機(jī)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)

4、指標(biāo)出發(fā)來(lái)選取最合適的和值，本例初選為。由上式可初步確定電機(jī)的，但要想進(jìn)一步確定和各自的值，還應(yīng)選擇主要尺寸比，其中為極距。通常，中小型同步電動(dòng)機(jī)的，一般級(jí)數(shù)越多，也越大，本例初選1.4。永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度一般要比同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大，主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)脑黾託庀堕L(zhǎng)度可以在一定的程度上減小永磁同步電動(dòng)機(jī)過大的雜散損耗，減低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲和便于電動(dòng)機(jī)的裝配。所以設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度時(shí),可以參照相近的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度并加以適當(dāng)?shù)男薷?。本例取。確定電動(dòng)機(jī)定子外徑時(shí)，一般是在保證電動(dòng)機(jī)足夠散熱能力的前提下，視具體情況為提高電動(dòng)機(jī)效率而加大定子外徑還是為降低成本而減小定子外徑。2

5、.3 定子鐵心與繞組的設(shè)計(jì)(1) 定子槽數(shù)的選擇當(dāng)相數(shù)和極數(shù)確定時(shí)，定子的槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù)，的值對(duì)電機(jī)的參數(shù)、附加損耗、溫升及絕緣材料消耗量等都有影響。一般在26之間選取并盡量取整數(shù)，對(duì)于極數(shù)少、功率大的電機(jī)，取大值；對(duì)于極數(shù)多的電機(jī)，取小值。本例取=4。(2) 定子繞組的設(shè)計(jì)與感應(yīng)電機(jī)一樣，永磁同步電動(dòng)機(jī)使用的繞組型式有單層繞組、雙層繞組和正弦繞組等。這些繞組型式各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組是雙層疊繞組,定子Y接。此外采用雙層短距分布繞組可以避免電動(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)生環(huán)流并可以削弱電動(dòng)勢(shì)諧波，定子繞組Y接則可以大大減小電動(dòng)機(jī)的雜散損耗，使定子電流中不含3次和3次

6、倍數(shù)的諧波，定子電流中亦不含偶次諧波。2.4 永磁體的設(shè)計(jì)(1) 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同來(lái)分類的，永磁體一般有三種排布方式:表面式、內(nèi)置式和爪極式。而內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系又可以分為徑向式、切向式和混合式三種結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不同會(huì)使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能、制造工藝和運(yùn)行場(chǎng)合也不同。本例采用的是內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，其在一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供的，能夠獲得更大的每極磁通，非常適合多級(jí)電機(jī)。但漏磁系數(shù)較大，因此需要有相應(yīng)的隔磁措施。(2) 永磁體選擇一般常用的永磁材料包括鋁鎳鉆永磁材料、鐵氧體永磁材料以

7、及稀土類永磁材料，但應(yīng)用于調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁材料只有稀土磁體，即汝鐵硼永磁體和釤鈷永磁體。本例采用的是NTP-288M的永磁體，時(shí)，剩磁為，矯頑力為。計(jì)算剩磁密度，式中的可逆溫度系數(shù)，的不可逆損失率，預(yù)計(jì)永磁體工作溫度。(3) 永磁體設(shè)計(jì)永磁體的主要尺寸有三個(gè):永磁體的軸向長(zhǎng)度、磁化方向長(zhǎng)度和寬度。永磁體的尺寸除了影響電動(dòng)機(jī)的性能外，還影響著電動(dòng)機(jī)中的空載漏磁系數(shù)，也決定著永磁體的利用率。實(shí)驗(yàn)證明，永磁體尺寸越大，空載漏磁系數(shù)越小。一般來(lái)說，永磁體的軸向長(zhǎng)度就取電動(dòng)機(jī)鐵心的軸向長(zhǎng)度，因此只需要設(shè)計(jì)其他兩個(gè)永磁體的尺寸和。通常來(lái)講，的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不能超過的長(zhǎng)度；設(shè)計(jì)應(yīng)使永磁體工作在最佳工作點(diǎn)，

8、因?yàn)橛来朋w的最佳工作點(diǎn)更大程度上取決于永磁體的磁化方向長(zhǎng)度。對(duì)于內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，其永磁體尺寸的估算公式為：式中，為電動(dòng)機(jī)的飽和系數(shù)，其值為1.051.3； 為與轉(zhuǎn)子磁路有關(guān)的系數(shù)，其值為0.71.2； 為永磁體的空載工作點(diǎn)，即空載時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)幺值，一般取 0.600.85； 為空載漏磁系數(shù)，是空載時(shí)的總磁通與主磁通之比，本例取1.2； 為氣隙磁密基波幅值，； 為氣隙磁通的波形系數(shù)，即電機(jī)基波磁通與氣隙總磁通之比，本例初選0.9。3 模型建立和仿真計(jì)算3.1 RMxprt電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)上述電磁設(shè)計(jì)部分得到的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，在Ansoft Maxwell的RMxprt模塊

9、中建立電機(jī)模型，如圖1所示，并設(shè)定樣機(jī)的仿真參數(shù)。仿真參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，這意味著將要計(jì)算前面建立的電機(jī)模型在該狀態(tài)下的工況，一般是將額定工作狀態(tài)設(shè)定為分析對(duì)象。設(shè)定完仿真參數(shù)，在確認(rèn)無(wú)誤的情況下，軟件就會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行求解計(jì)算。RMxprt電機(jī)分析模塊是基于等效電路和磁路的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算的。最終計(jì)算清單見附錄1，其列出了所有輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。圖1 電機(jī)模型通過計(jì)算結(jié)果，可以看到所設(shè)計(jì)電機(jī)在額定運(yùn)行情況下的效率為96.9%，滿足給定的性能指標(biāo)?？蛰d時(shí)的氣隙磁密約為0.63T。其他各項(xiàng)指標(biāo)也均滿足要求。此外還可以得到電機(jī)的性能曲線。圖2、圖3、圖4分別給出了電機(jī)輸出功率、效率與力矩角的關(guān)系以及

10、氣隙磁密的波形曲線。圖2 輸出功率與力矩角的關(guān)系曲線圖3 效率與力矩角的關(guān)系曲線圖4 氣隙磁密3.2 Maxwell 2D中建立電機(jī)的二維有限元模型RMxprt模塊是基于等效磁路法的電機(jī)設(shè)計(jì)模塊，許多參數(shù)均由軟件自動(dòng)查表得到，同時(shí)由于采用了等效磁路，電機(jī)的設(shè)計(jì)精度會(huì)降低。為提高設(shè)計(jì)精度，往往需要將RMxprt模塊中的電機(jī)模型導(dǎo)入變換為Ansoft Maxwell 2D模型，然后進(jìn)行有限元計(jì)算仿真，得到電機(jī)的瞬態(tài)特性，從而為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Ansoft 14版本能夠?qū)Mxprt模型一鍵式導(dǎo)入到2D界面中，自動(dòng)完成幾何模型繪制、材料定義、激勵(lì)源添加、邊界條件給定、網(wǎng)格剖分和求解參數(shù)設(shè)置等

11、前處理項(xiàng)，點(diǎn)擊運(yùn)行即可生成瞬態(tài)計(jì)算模型，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算為轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下的恒速運(yùn)行，所模擬的是額定轉(zhuǎn)速下三相繞組電流和轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩。圖5給出的是電磁轉(zhuǎn)矩曲線，圖6給出的是三相電流曲線。由于軟件所給的工況是轉(zhuǎn)子在0時(shí)刻前已經(jīng)被拖至額定轉(zhuǎn)速，然后在0時(shí)刻突然加電，而實(shí)際中電機(jī)均為從0轉(zhuǎn)速升速至額定轉(zhuǎn)速，因此曲線的前半段并無(wú)參考價(jià)值，而從轉(zhuǎn)矩曲線的后半段可以看出在額定轉(zhuǎn)速下基本穩(wěn)定，但脈動(dòng)較大。從電流曲線后半段可以看出電流也基本穩(wěn)定。圖5 額定轉(zhuǎn)速時(shí)瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖6 額定轉(zhuǎn)速時(shí)瞬態(tài)相電流曲線 圖7和圖8給出的是t=0.2s時(shí)刻的電機(jī)磁力線和磁密分布圖。從圖8的磁密分布圖中可以看出，與磁鋼靠近的

12、定子齒部磁密較小，而定子軛部磁密較大，遠(yuǎn)離磁鋼的定子齒部磁密較大，而定子軛部磁密較小。且定子齒部的磁密最大值約為2T，定子軛部磁密最大值約為1.3T，而定子所用硅鋼片D23_50的B-H曲線飽和值約為1.6T，由此可以看出硅鋼片的利用率較高。圖7 額定轉(zhuǎn)速下t=0.2s時(shí)刻的磁力線分布圖圖8 額定轉(zhuǎn)速下t=0.2s時(shí)刻的磁密分布圖4 結(jié)論 本文通過Ansoft Maxwell軟件比較系統(tǒng)地對(duì)調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)主要尺寸和氣隙長(zhǎng)度、定子沖片和繞組、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)以及永磁體等參數(shù)的確定進(jìn)行了研究,并說明了電機(jī)形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)電機(jī)性能的影響,同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)可以調(diào)整各種電機(jī)參數(shù)得到不同的電機(jī)設(shè)計(jì)方案,對(duì)

13、優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)提供有力的手段和指導(dǎo)借鑒意義。參考文獻(xiàn)1 唐任遠(yuǎn)等.現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.2 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.3 趙爭(zhēng)鳴,袁立強(qiáng),楊晟等.可控電源供電電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析M.北京:機(jī)械工 業(yè)出版社,2012.4 戴文進(jìn),張景明等.電機(jī)設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2010. 5 王秀和等.永磁電機(jī)M.北京:中國(guó)電力出版社,2007. 6 王秀和,楊玉波,朱常青.異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)-理論設(shè)計(jì)與測(cè)試M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.7 王秀和,楊玉波,朱常青.異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)-理論設(shè)計(jì)與測(cè)試M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009. 8 劉慧娟,上官明珠,張穎超等.Ansoft Maxwell 13電機(jī)電磁場(chǎng)實(shí)例分析M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014. 9 Ansoft RMxprt使用手冊(cè)中文版M. 10 秦新燕,肖鵬程.基于Ansoft的電機(jī)設(shè)計(jì)及瞬態(tài)分析J.湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011,28(2):89-92.11 張巍.工頻電源供電低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析D.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2008.12 王廣生,黃守道,高劍.基于Ansoft軟件設(shè)