外轉子永磁同步電動機的分析與設計

黃光建，吳幫超，方超

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006)

外轉子永磁同步電動機的分析與設計

黃光建，吳幫超，方超

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006)

設計了一款167r/min、36槽30極、11.6kW的外轉子永磁同步電動機。利用ANSYS/Maxwell有限元分析軟件建立了該款電動機的二維有限元仿真模型，對齒槽轉矩、定轉子氣隙磁場、輸出轉矩進行了仿真，對徑向力波進行了分析，結果表明該款電動機的力波次數均為0，有利于降低電動機的振動與噪聲。在工程實踐上具有一定的參考價值。

外轉子永磁同步電動機；電磁設計；齒槽轉矩；氣隙磁場；徑向力波

0 引言

與傳統的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單、運行可靠；體積小、質量輕；損耗少、效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點，因而應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域[1]。

外轉子永磁同步電動機與普通的永磁同步電動機在結構上相反，是一種轉子在外，定子在內的永磁同步電動機。其既具有永磁同步電動機定子激磁電流小，力能指標高、易于調速和節能效果好等優點，又具有轉動慣量大、散熱好、節省銅線、電動機的效率和輸出功率高的優點。曳引機作為電梯傳動系統的主要組成部分,驅動電梯的動力源,電動機的發展水平直接決定著電梯的高級程度,其性能直接影響電梯的起動、制動、加減速度、平層精度和乘坐舒適性等指標[2]。對外轉子永磁同步電動機的尺寸、齒槽轉矩、電磁噪聲等提出新的要求。因此，合理的電機設計對于較大功率的外轉子永磁同步電動機具有重要意義。

本文設計了一款167r/min、36槽30極、335V、11.6kW的外轉子永磁同步電動機，給出了詳細的電磁設計過程，確定了電動機的主要參數，并且利用ANSYS/Maxwell有限元仿真軟件建立了該款電動機的二維有限元仿真模型，對齒槽轉矩、定轉子氣隙磁場、輸出轉矩進行了仿真，對徑向力波進行了分析，結果表明該款電動機能夠降低電機的振動與噪聲。

1 外轉子永磁同步電動機的參數確定

1.1 主要技術指標

本方案的電動機額定電壓UN=335V,額定功率PN=11.6kW，額定轉速nN=167r/min,額定電流IN=21A，效率η=90%。

1.2 電動機主要尺寸的確定

根據電機的設計原理，電動機主要尺寸包括定子外徑Di1和鐵心長度L，尺寸和計算功率P、轉速nN、電磁負荷A等參數有關[3]。

(1)

式中，計算功率P=1.15×PN=13.34kW；額定轉速nN=167r/min；極弧系數αi=0.8；氣隙磁場波形系數Kφ；正弦波磁場取1.11；基波繞組系數KW，本電磁方案采用集中繞組形式，故取為0.966，電負荷A=400A/cm，永磁材料為釹鐵硼，它剩磁高，故氣隙磁密平均值Bδ=0.78，綜合考慮實際客觀因素，本電磁設計方案取Di1=450mm，L=83mm。

1.3 磁性材料的選擇

對于永磁電機而言，如果電動機轉子尺寸相同，那么電機的轉矩與氣隙磁密成正比，而氣隙磁密與磁性材料密切相關。目前，永磁電機所采用的磁性材料主要是釹鐵硼和鐵氧體。釹鐵硼永磁材料是目前磁性能最強的永磁材料，它剩磁高，最高可達1.47T，矯頑力最高可超過1000kA/m，是普通鐵氧體的3～4倍。若采用鐵氧體勵磁，要達到相同的抗去磁能力和輸出轉矩，電動機的體積會相應地增大。曳引機用外轉子永磁同步電動機作為驅動電梯的動力源，必須要考慮電動機的輸出轉矩是否符合電梯提升重物的要求。綜上所述，在電動機尺寸允許的情況下，使用釹鐵硼作為永磁體材料是合適的選擇。

1.4 磁極結構的選擇

表貼式外轉子永磁同步電動機常用的磁極結構有瓦片狀和圓筒狀，如圖1所示。

圖1 常用磁極結構

本電磁設計方案采用瓦片狀磁極，它更容易產生均勻的氣隙磁密波形，更方便對永磁體的結構進行優化[4]。

1.5 永磁體厚度的選擇

對于表貼式結構電動機來說，永磁體直接面向氣隙，為了避免電動機在負載時電樞反電動勢過大，對永磁材料發生不可逆的去磁作用，需要合理的設計永磁體的厚度[5]。考慮電動機制造成本和制造工藝，永磁體的充磁厚度為hm=5mm。

2 電磁設計流程

本文的設計思路是首先根據公司的技術要求確定定轉子結構和永磁體材料性能，再由計算功率P、電負荷A、氣隙磁密平均值Bδ來確定電動機的基本主要尺寸。電磁設計流程如圖2所示。

圖2 電磁設計流程

根據上述的電磁設計，本文設計的外轉子永磁同步電動機主要參數如表1所示。

表1 電動機主要參數

根據以上電動機的基本參數，利用電磁場有限元分析軟件ANSYS/Maxwell 2D分析外轉子永磁同步電動機瞬態的電磁過程以及建立電動機的二維有限元模型，如圖3所示。

圖3 電動機的二維有限元模型

3 電動機有限元仿真結果及分析

3.1 永磁體優化分析

齒槽轉矩是永磁電動機特有的問題，它是由永磁體和電樞齒相互作用而產生的磁阻轉矩。過大的齒槽轉矩會導致轉矩波動，引起電機的振動與噪聲，影響電機的穩定運行。因此有必要削弱永磁電動機的齒槽轉矩。對于表貼式外轉子永磁同步電動機，可以方便地通過優化永磁體的極弧系數來達到降低齒槽轉矩的目的，如圖4所示。表2是與圖4相對應的。同時還可以改善氣隙磁密的波形，降低諧波對磁場的影響。由圖4、表2可以明顯看出當極弧系數為0.86時，齒槽轉矩幅值最小。

圖4 不同極弧系數時齒槽轉矩的波形

3.2 定子氣隙磁密

分數槽繞組是指每極每相槽數q=Z/2pm=N/D=分數的繞組,其中D≠1，且N和D是沒有公約數的。對于三相分數槽電動機，當D為偶數時，單元電機數t=2p/D，定子繞組諧波磁場的諧波次數為：V=±2(3k±1)/D；當D為奇數時，單元電機數為t=p/D，定子繞組諧波磁場的諧波次數為：V=±(6k±1)/D。式中k=0,1,2…；兩個“±”號應取得一致，帶負號諧波的旋轉方向與不帶負號的相反。本文是36槽30極永磁同步電動機為研究對象，因此電動機的每極每相槽數為

定子繞組諧波磁場極對數為：V=±p(6k±1)/D，式中k=0,1,2…

即3、-15、21、-33、39、-51、57…

在Maxwell 2D模型中，將轉子磁鋼材料設為空氣，給電機加載額定電流源，這樣就可以得到僅電樞電流作用時的氣隙磁密波形，如圖5所示。對定子氣隙磁場波形進行傅里葉分解可得各次諧波及幅值如表3所示。

圖5 定子氣隙磁密波形

3.3 轉子氣隙磁密

根據已建立的二維有限元模型，將電流源設置為零，可以得到永磁體優化后轉子氣隙磁密波形如圖6所示。對轉子氣隙磁密波形進行傅里葉分解得到各諧波次數及幅值如表4所示。各諧波柱狀圖如圖7所示。

圖6 轉子氣隙磁密波形

圖7 轉子氣隙磁密波形的傅里葉分解

3.4 徑向力波分析

根據Maxwell應力方程可知，對電機的振動與噪聲影響較大的是力波次數小于或等于4的徑向力波。由于分數槽繞組的定子磁場的諧波分布比整數槽的密，更容易產生力波次數小于或者等于4的徑向力波，從而使振動噪聲加大。徑向力波次數可通過公式r=u±v計算獲得，式中u表示轉子磁場諧波極對數，v表示定子磁場諧波極對數。表5為36槽30極永磁同步電動機的徑向力波分析。

表5 徑向力波分析

在分析電動機振動和噪聲時，4階以上力波的影響是可以不予考慮的。從表5中可以看出，36槽30極電動機的低階力波次數均為0，0階力波不會使定子鐵心產生不對稱的彎曲變形，從而不會引起較大的振動與噪聲。

3.5 輸出轉矩

圖8是外轉子永磁同步電動機在穩定運行時的輸出轉矩波形。由圖8可知，優化后輸出轉矩波形比優化前輸出轉矩波形更加平滑。優化前輸出轉矩的平均值為652.66 N·m，優化后輸出轉矩的平均值為663.68 N·m，最大值為679 N·m，最小值為647.33 N·m。轉矩波動率γ可以反映電動機輸出轉矩的平穩性[6]，表達式為式(2)所示，代入相關數據可得γ=4.8%，表明了此外轉子永磁同步電動機轉矩波動小，電動機的性能良好。

(2)

式中，Tmax—最大轉矩；Tmin—最小轉矩；Tavg—平均轉矩。

圖8 電動機的輸出轉矩

4 結語

本文設計的這款167r/min、36槽30極、335V、11.6kW的外轉子永磁同步電動機，通過電磁設計方法確定電動機的主要參數，并利用ANSYS/Maxwell有限元分析軟件進行建模，優化永磁體得到最佳極弧系數來達到降低齒槽轉矩的目的，優化后電動機的輸出轉矩的波形更加平滑，平均值更大，分析了分數槽電動機的定轉子磁場以及徑向力波，為分析電動機的振動與噪聲提供了一定的參考。

[1] 唐任遠.現代永磁電機[M].北京:機械工業出版社,1997.3-11.

[2] 王麗峰.無齒輪電梯用低速大轉矩永磁同步電動機的研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2004.

[3] 陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社,2000.

[4] 田艷飛,黃開勝.基于Maxwell的外轉子無刷直流電動機分析與設計[J].微特電機，2014,42(2):18-20.

[5] 陳賢陽,黃開勝.高性能風機用外轉子無刷直流電機的設計與研究[J].微電機，2014,47(7):26-30.

[6] 陳賢陽,黃開勝.五相永磁容錯電機設計與故障控制[J].電機與控制應用，2014,41(8):22-27.

Analysis and Design of Outer-Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor

HuangGuangjian,WuBangchao,andFangChao

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

An outer-rotor permanent magnet synchronous motor with 167r/min, 30 poles and 11.6kW was designed. A 2D finite-element simulation model of the motor was established by ANSYS/Maxwell finite-element analysis software. The air-gap magnetic fields of stator and rotor, cogging torque and output torque were simulated, and the radial force wave was analyzed. The result shows that times of force waves of the motor are all zero, so it is beneficial to reduce vibration and noise of the motor. This paper has some reference value in engineering practice.

Outer-rotor permanent magnet synchronous motor；electromagnetic design；cogging torque；air-gap magnetic field；radial force wave

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.02

TM351

A

1008-7281(2017)01-0006-005

黃光建 男 1990年生；在讀碩士研究生,研究方向為外轉子永磁同步電動機的設計.

2016-07-26