一種新穎反凸極結構永磁同步電動機的設計與分析

鄭菲菲，鄧先明，李學鋒，王珍珍

(中國礦業(yè)大學，徐州 221008)

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一種新穎反凸極結構永磁同步電動機的設計與分析

鄭菲菲，鄧先明，李學鋒，王珍珍

(中國礦業(yè)大學，徐州 221008)

針對具有凸極效應的常規(guī)永磁同步電動機的問題，即最大電磁轉矩的功角大于90°，在負載運行時永磁體存在較大的退磁危險,提出一種具有反凸極效應的新結構永磁同步電動機，并分別對該永磁同步電動機和傳統(tǒng)永磁同步電動機進行了有限元分析，得到了電機的氣隙磁密波形和空載反電勢波形，并進行了諧波分析，求出了交直軸電感特性和矩角特性曲線。與傳統(tǒng)的永磁同步電動機相比，新結構電機不僅永磁體用量減少、氣隙磁密波形更接近正弦波，而且具有反凸極特性，減小了電機退磁的危險；并且該電機的最大電磁轉矩比傳統(tǒng)結構電機提高3.33%，增強了電機的過載能力。

永磁同步電動機；有限元分析；反凸極效應；交直軸電感特性；矩角特性

0 引 言

永磁同步電動機由于其結構簡單、效率高、功率密度高等優(yōu)點，在工業(yè)領域得到了廣泛的應用與研究，在永磁同步電動機的分析、設計方面，國內外研究人員都做了大量工作并取得了階段性成果。唐任遠教授在電機的磁路結構設計、電機參數(shù)研究方面做了大量的工作[1]，為永磁同步電動機的設計和研究奠定了基礎；文獻[2]定性分析了異步起動永磁同步電動機運行效率隨著運行狀態(tài)的變化規(guī)律, 研究了損耗的諧波含量,進而得出了影響永磁電機損耗的主要因素及其在不同運行條件的變化規(guī)律,揭示了空間齒諧波磁場對轉子損耗的重要影響，為電機的優(yōu)化設計進而減少諧波、提高運行效率提供了參考；文獻[3]用有限元的方法，在設計過程中，通過在內置式永磁同步電動機轉子表面適當?shù)奈恢瞄_凹槽，優(yōu)化轉子結構，并通過實驗證明，電機的齒槽轉矩大大減小，電機的性能得到提高；文獻[4]提出了一種新穎結構的永磁同步電動機,通過改變永磁體分布和轉子槽結構，對永磁同步電動機的結構進行了改進，從而更有效利用了永磁體磁場,提高了永磁體的利用率。

鑒于嚴峻的能源安全形勢和永磁電機的性能優(yōu)勢，對永磁電機進行結構研究，研制高效的永磁同步電動機具有重要的意義。與傳統(tǒng)的電勵磁電機不同，由于稀土永磁體的磁導率近似等于空氣磁導率，具有凸極效應的常規(guī)永磁同步電動機的直軸磁阻大于交軸磁阻，所以直軸同步電抗小于交軸同步電抗，磁阻轉矩分量在功角小于90°時為負值，從而導致電機在負載運行時永磁體存在較大的退磁危險[5]，另外，在負載運行時交軸磁路過飽和，鐵損耗大，電機效率不高。由于凸極效應和稀土永磁同步電動機的轉子結構有關，所以本文在傳統(tǒng)電機模型的基礎上從改變永磁同步電動機的轉子結構入手，提出一種具有反凸極效應的永磁同步電動機，并用Maxwell 2D軟件對此電機進行了仿真分析。

1 反凸極永磁同步電動機的電磁設計

1.1 基本參數(shù)設計

永磁電機磁路計算主要包括永磁體尺寸及工作點的確定、電機主要尺寸、槽型、定子繞組的設計和一些電磁參數(shù)的計算[6]，若槽型不合適或電負荷不滿足等，則需調整永磁體、電機尺寸等，重新設計各項參數(shù)，經(jīng)過多次調整，直到達到設計要求[7]，滿足技術經(jīng)濟指標要求。

其中電機的主要尺寸是指定子沖片內徑Dil和定子鐵心有效長度lef，可借用異步電機主要尺寸關系式來近似推導。電機的基本尺寸數(shù)據(jù)繁多，不一一羅列，電機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要數(shù)據(jù)

1.2 轉子結構的設計

轉子結構設計主要包括轉子槽形的選擇、槽形尺寸的確定[8]、永磁體類型和尺寸的確定等，兩種結構轉子永磁同步電動機的槽型都為閉口梯形槽，且槽形尺寸相同。為了使電機滿足反凸極的電磁特性，須使交軸同步電抗xq小于直軸同步電抗xd，即須滿足Lq

以q軸電感為例分析如下：

(1)

式中：Lq為q軸電感；ψq為q軸磁鏈；iq為折算到q軸的電流；N為經(jīng)過坐標變換后q軸線圈的有效匝數(shù)；Λmq為q軸鐵心磁路的磁導；Rmq為q軸鐵心磁路的磁阻。

由式(1)可知，在線圈匝數(shù)一定的條件下，q軸電感大小與q軸鐵心磁路的磁導成正比，與q軸鐵心磁路的磁阻成反比。所以為減小q軸電感，使Lq

(a)傳統(tǒng)永磁同步電動機結構(b)反凸極永磁同步電動機結構

圖1 兩種永磁同步電動機結構

由表2可知，反凸極結構永磁同步電動機的轉子外徑、內徑和永磁體厚度和傳統(tǒng)結構永磁同步電動機都相同，不同的是傳統(tǒng)的永磁同步電動機的內置永磁體按W型分布，為使永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密波形更接近于正弦波，反凸極結構電機永磁體槽及永磁體為M形排列，位于轉子鐵心上相對于每個轉子直軸線d對稱分布，且每極永磁體寬度減小，從而減少了永磁體的用量；轉子鐵心上沿轉軸方向在永磁體槽之間開設的三角形通風孔，不僅增加了交軸磁路的磁阻，使磁路不容易飽和，減少鐵損耗，同時還能減小運行時交軸電樞反應對直軸氣隙永磁磁場的影響。且通風孔的存在可以提高轉子散熱性能，降低轉子溫度，保護永磁體[9]。在三角形通風孔中間放置一根與隔磁磁橋寬度相等的肋條，從而增加電機的機械強度。

2 反凸極永磁同步電動機的有限元分析

利用Maxwell有限元分析軟件對傳統(tǒng)結構永磁同步電動機及反凸極結構永磁同步電動機的模型進行了有限元分析[10]，得到兩種不同轉子結構的永磁同步電動機的空載氣隙磁密曲線、空載反電勢波形、d軸及q軸電感特性[11]和功角特性曲線并進行對比。

2.1 氣隙磁密及空載反電勢分析

對傳統(tǒng)結構永磁同步電動機和反凸極結構永磁同步電動機分別進行了有限元求解，用Ansoft場計算器分別進行了氣隙磁密及空載反電勢的求解，并對氣隙磁密和空載反電勢波形進行了傅里葉分析對比。圖2(a)為傳統(tǒng)結構永磁同步電動機的氣隙磁密分布，圖2(b)為反凸極結構永磁同步電動機的氣隙磁密波形。

(a)傳統(tǒng)結構氣隙磁密波形(b)反凸極結構氣隙磁密波形

圖2 兩種結構電機的氣隙磁密波形

對傳統(tǒng)結構電機氣隙磁密波形和反凸極結構的氣隙磁密波形進行了諧波分析并對比，如圖3所示。

圖3 兩種結構電機氣隙磁密諧波分析結果

圖4(a)為傳統(tǒng)結構永磁同步電動機的空載反電勢波形，圖4(b)為反凸極結構永磁同步電動機的空載反電勢波形。圖5為兩種結構空載反電動勢諧波對比。

(a)傳統(tǒng)結構空載反電動勢波形(b)反凸極結構空載反電動勢波形

圖4 兩種結構電機空載反電勢波形

圖5 兩種結構電機空載反電動勢諧波分析結果

由圖3兩種結構電機氣隙磁密諧波對比和圖5兩種結構電機空載反電動勢諧波對比分析可知，永磁體槽呈M形排列的新型反凸極結構永磁同步電動機的空載反電勢和氣隙磁密的基波含量都有所增加，5次和7次諧波也有所降低，而3次及9次諧波則可以被定子繞組的Y型聯(lián)接方式抑制掉。所以新型反凸極結構永磁同步電動機有效地增加了基波含量，減少了諧波成分，以較少的永磁體用量使其氣隙磁密波形更接近于正弦波，不僅節(jié)約了稀土資源，提高了永磁體的利用率，而且減少了電機的運行損耗，提高了電機效率。

2.2 反凸極永磁同步電動機交直軸電感特性分析

交、直軸電感對于電機運行特性有很大的影響[12-13]，而且電機的反凸極特性表現(xiàn)在參數(shù)上，即電機的交直軸電感存在Lq

(2)

(3)

因此，當d軸與A相繞組軸線對齊時，求出此時A相繞組的磁鏈，就可以求出d軸電感；當q軸與A相繞組軸線對齊時，求出此時A相繞組的磁鏈，就可以求出q軸電感。圖6(a)為傳統(tǒng)結構永磁同步電動機的交直軸電感隨電流變化的曲線，圖6(b)為反凸極結構永磁同步電動機的交直軸電感隨電流變化的曲線。

(a)傳統(tǒng)結構電機交直軸電感曲線(b)反凸極結構電機交直軸電感曲線

圖6 兩種結構電機d軸和q軸電感特性

由圖6知，傳統(tǒng)結構永磁同步電動機的q軸電感大于d軸電感，而且由于q軸磁路飽和，導致d，q軸電感隨電流的增加而減小，而其中q軸電感值明顯減小。而反凸極結構永磁同步電動機的d軸電感始終大于q軸電感，即具有反凸極特性，這是因為轉子鐵心上沿轉軸方向在永磁體槽之間開設有三角形通風孔，增加了交軸磁路的磁阻，使磁路不易飽和，所以q軸電感比傳統(tǒng)結構永磁同步電動機小，而且q軸電感變化較小。

2.3 反凸極永磁同步電動機的矩角特性分析

為了獲得同步機的矩角特性，重要的是電磁轉矩的求解，通過求解不同功角時對應的電磁轉矩值從而獲得功角特性。

忽略電樞電阻，凸極同步電機的電磁轉矩：

式中：m為相數(shù)；E0為空載電動勢；U為電源電壓;ΩS為同步角速度;δ為功角;Xd,Xq分別為d軸和q軸電抗。

Ansoft中電磁轉矩的求解采用虛位移的方法，先求出磁場儲能，然后用差商代替微商，通過計算虛位移時磁共能的變化來確定電磁轉矩，即：

(6)

通過Maxwell 2D軟件求解得到電機的矩角特性，如圖7 所示。

圖7 兩種結構電機的矩角特性

與傳統(tǒng)永磁同步電動機的矩角特性不同，反凸極結構電機的最大電磁轉矩對應的功角小于90°，從而可知該電機的磁阻轉矩分量在功角小于90°時為正值，再次間接說明該電機的d軸電感大于q軸電感，即電機具有反凸極特性。當該電機負載運行時，直軸電樞反應磁場與轉子永磁體磁場方向相同，起到助磁作用，因此沒有退磁的危險，增加了電機的穩(wěn)定性。而且，與傳統(tǒng)結構的永磁同步電動機相比，反凸極結構永磁同步電動機的永磁體用得少,最大電磁轉矩提高了3.33%，不僅提高了永磁體的利用率，而且增加了電機的過載能力。

3 結 語

本文提出一種新穎反凸極結構永磁同步電動機，利用有限元仿真軟件Maxwell建立了兩種不同轉子結構永磁同步電動機的二維模型并進行了仿真分析，得到了電機的空載氣隙磁密曲線、空載反電動勢曲線、交直軸電感特性曲線和矩角特性曲線，并進行了對比分析。由結果分析可知，與傳統(tǒng)的永磁同步電動機相比，該反凸極結構永磁同步電動機不僅減少了永磁體的用量，提高了永磁體的利用率，節(jié)約了稀土資源，而且通過改變永磁體分布，該電機的氣隙磁密和反電勢更接近正弦分布；通過在轉子交軸線上開三角形槽，該永磁同步電動機的q軸磁阻大于d軸磁阻，具有反凸極效應，從而減小了電機退磁的危險，增加了電機的穩(wěn)定性；此外，該反凸極結構電機提高了電機的最大轉矩，增加了電機的過載能力。

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Design and Analysis of Permanent Magnet Synchronous Motor with Novel Reverse Salient-Pole Structure

ZHENG Fei-fei，DENG Xian-ming，LI Xue-feng，WANG Zhen-zhen

(China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Considering the problem of the conventional permanent magnet synchronous motor with salient pole effects: torque angle of the largest electromagnetic torque is greater than 90°, and the permanent magnets run the high risk of demagnetization, a novel permanent magnet synchronous motor with reverse salient-pole property was presented. The Finite-element analysis of the novel and the traditional permanent magnet synchronous motor was made. The waveforms of air gap flux density and no-load back EMF and their Fourier analyses were worked out. Thedandqaxis inductance characteristics and torque-angle characteristic curves of both the novel and the traditional one were obtained. Compared with the traditional permanent magnet synchronous motor, the motor not only reduces the consumption of the permanent magnet,but also has waveform of air gap flux density closer to the sine wave. And it has reverse salient-pole characteristic, so as to reduce the risk of motor demagnetization. Also, the biggest electromagnetic torque of the novel motor is 3.33% bigger than that of the traditional one, which can enhance the overload capacity of the motor.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); finite element analysis; reverse salient-pole property;dandqaxis inductance characteristics; torque-angle characteristic

潘文貴(1988-)，男,博士研究生，研究方向為航天遙感系統(tǒng)中的高精度控制系統(tǒng)。

2014-07-10

江蘇省徐州科技發(fā)展基金項目(XG07017)

THM341;TM351

A

1004-7018(2016)02-0012-04