一種確定永磁同步電動機最佳極弧系數組合的方法

譚耿銳，方超，黃信，杜曉彬

(廣東工業大學，廣東廣州510006)

一種確定永磁同步電動機最佳極弧系數組合的方法

譚耿銳，方超，黃信，杜曉彬

(廣東工業大學，廣東廣州510006)

為削弱永磁同步電動機的齒槽轉矩，提出一種不同極弧系數組合的方法。根據齒槽轉矩表達式定性分析了極弧系數對齒槽轉矩的影響，以48槽8極表貼式調速永磁同步電動機為例，建立Maxwell 2D模型，給出優化極弧系數和調整極弧系數組合的方法，利用有限元法對不等極弧系數組合進行建模分析。結果表明，合適的選擇極弧系數進行組合可明顯地削弱齒槽轉矩。為調速永磁同步電動機的優化提供一定的參考。

極弧系數；有限元法；齒槽轉矩

0 引言

調速永磁同步電動機結構簡單、效率高、體積小等優點，已在各領域得到了廣泛的使用，現在國內外集中對轉子結構的研究來進行調速永磁同步電動機的設計與優化[1]。

在永磁電機中定子齒槽與轉子永磁體產生的齒槽力矩產生諧波，降低電機性能[2]。在大功率電動機受到其影響更大。所以，研究優化齒槽轉矩在大功率性能高的永磁同步電動機設計中顯得格外重要。其中，齒頂開槽和輔助槽偏移進行的研究，找出了最佳輔助槽尺寸和偏移角度進行優化[3]。基于磁極偏移削弱電動機齒槽轉矩的探討，研究了磁極角度最佳偏移的一種計算方法[4]。這些研究方法理論上能很好地使齒槽轉矩減弱，但其實際應用較復雜，所以在實際工程中較少采用。

本文通過使用有限元軟件ANSYS 2D模塊，進行參數變量的方法確定削弱齒槽轉矩永磁體最佳不相同極弧系數的組合。采用一款電動汽車用調速永磁同步電動機的主要參數，采用基于有限元計算的參數變量的方法進行分析，利用所得最佳不同極弧系數組合和其他電動機參數，經測試并檢測其各項性能，均達到要求。

1 電機主要參數與模型

本文研究的是一臺調速永磁同步電動機進行。表1所示的是該調速永磁同步電動機主要參數。圖1為該調速永磁同步電動機的模型。

表1 電動機主要參數

圖1 調速永磁同步電動機模型

在Maxwell 2D建立模型并進行有限元計算，定子和轉子均選用DW470-50冷軋硅鋼片材料。

2 原理分析

假設該調速永磁同步電動機電樞鐵心的磁導率為無窮大，則轉子永磁體的場能與氣隙的場能的總量等于此永磁同步電動機所存的總能量[5]。可表示

(1)

式中，μ0—真空磁導率系數；Br2(θ)—永磁體的剩磁；g(θ,α)—空氣隙有效長度排布；hm—磁極厚度。

圖2 Br(θ)分布圖

(2)

(3)

齒槽轉矩的表達式為磁場能W對轉子旋轉角α的負導數

(4)

將式(1)、式(2)、式(3)代入上式中，可得極弧系數優化組合后的齒槽轉矩表達式

(5)

式中，n—使nz/p為整數的整數。

從式(5)可以看出，Br2(θ)對齒槽轉矩有較大的影響，但只有nz/p次傅里葉分解系數才會影響齒槽轉矩。可通過不等極弧系數的組合來減小nz/p次傅里葉系數來減小齒槽轉矩。

3 確定最佳極弧系數組合

使用有限元軟件2D模塊的參數變量進行分析的方法，設極弧系數為變量，計算分析找出一個最佳的不等極弧系數的組合可以一定限度地優化齒槽轉矩[5]。

組合不同極弧系數的優化方法：在如圖3中所示的調速永磁同步電動機1/4截面模型結構圖中調整極弧系數αp1和αp2大小。原始磁極的極弧系數αp1和αp2大小均為0.84。

圖3 磁極不等極弧系數組合

設置ANSYS軟件中的Optimetrics選項進行變量掃描，設置極弧系數的大小αp1和αp2為變量。考慮αp1等于αp2的組合，取極弧系數變量值如表2所示。

表2 極弧系數變量值

在ANSYS中設計模型并對電機轉子磁極的極弧系數組合的參數進行變量的仿真。有限元的計算結果如圖4所示。

圖4 齒槽轉矩掃描曲線圖

圖4為各極弧系數組合的齒槽轉矩圖，從中知，最理想的是曲線7，極弧系數為(0.68,0.84)的組合。圖5為選擇極弧系數最優組合后與優化前的齒槽轉矩。在圖5中可以得出時，進行最優組合后齒槽轉矩僅為1.09N·m，為未優化時的14.5%，齒槽轉矩明顯減弱了。

圖5 優化前后齒槽轉矩對比

由上述研究可知，使用有限元軟件ANSYS設計模型并進行參數變量的方法，可以得到使調速永磁同步電動機的齒槽轉矩削弱最大化的最佳不等極弧系數大小的組合。用此方法得到的使齒槽力矩為最小的極弧系數的組合，即為確定該調速永磁同步電動機磁極最佳的不等極弧系數組合。

用所得最佳組合不同大小的極弧系數，進行負載分析。在Maxwell2D中進行有限元仿真，施加額定電壓345V，將優化組合極弧系數之后對電機的輸出轉矩與優化組合前的進行比較分析，如圖6所示。

圖6 輸出轉矩曲線

由圖6輸出轉矩曲線可求出，優化組合不等極弧系數前電機的平均輸出轉矩為713.2N·m，優化組合不得不等極弧系數后為724.7N·m，提高了11.5N·m，優化組合不等極弧系數后的平均輸出轉矩提高了1.6%。

采用上述方法所得的電機參數進行分析，并對電動機的性能進行測試，得出電動機的測試數據，將其與有限元ANSYS仿真的初始數據進行對比，如表3所示。

表3 優化前后的測試數據對比

分析表3可得，采用最佳組合后的測試值與原始ANSYS有限元計算的相應仿真值誤差均在4.5%內，該方法在此款48槽8極電機的應用符合設計要求。

4 結語

基于有限元計算研究一種確定調速永磁同步電機最佳組合不等極弧系數的方法，進行削弱齒槽力矩。對一臺電動汽車用48槽8極調速永磁同步電動機試驗，進行參數變量確定最佳不同極弧系數的組合。在此優化下，該永磁電機的齒槽轉矩值大小降為1.09N·m。結果證明，本文的方法在具有實際意義，為調速永磁同步電動機的優化提供一定的參考。

[1] 李正. 永磁電機的設計[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2016: 7-8.

[2] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 1997: 143-144.

[3] 賴文海,黃開勝. 基于輔助槽偏移的單相永磁同步電動機齒槽轉矩削弱[J]. 微特電機, 2015,09: 11-14.

[4] 楊玉波,王秀. 磁極偏移削弱永磁電機齒槽轉矩方法[J]. 電工技術學報,2006,10: 22-25+61.

[5] 王秀和. 永磁電機[M].北京：中國電力出版社, 2010: 93-95.

A Method for Determining Optimum Pole Arc Coefficient Combination of Permanent Magnet Synchronous Motor

TanGengrui,FangChao,HuangXin,andDuXiaobin

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In order to reduce cogging torque of permanent magnet synchronous motor, this paper puts forward a method of combining different pole arc coefficient. According to the cogging torque expression, the influence of pole arc coefficient on cogging torque is qualitatively analyzed. Taking a surface-mounting adjustable-speed permanent magnet synchronous motor with 48 slots and 8 poles as an example, a Maxwell 2D model is established, and the method of combining optimal pole arc coefficient and adjustable pole arc coefficient is given. The different pole arc coefficient combinations are modeled and analyzed by finite-element method. The result shows that appropriate pole arc coefficient combination can clearly weaken the cogging torque. It can provide some reference for optimization of adjustable-speed permanent magnet synchronous motor.

Pole arc coefficient；finite-element method；cogging torque

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.04

TM351

A

1008-7281(2017)01-0014-004

譚耿銳 男 1991年生；碩士研究生，研究方向為特種電機及其控制.

2016-09-12