一種確定永磁同步電動機最佳磁極偏移角度的方法

肖慶優，黃開勝，陳文敏，楊國龍，賴文海，蔡黎明

(1.廣東工業大學，廣州510006;2.廣東省東莞電機有限公司，東莞523141)

0 引 言

表面式轉子磁路結構適用于恒功率調速范圍不寬和不需實現高速運轉的電動機。其結構分為表面凸出式和表面插入式兩種。表面式結構具有結構簡單、制造成本較低、轉動慣量小等優點，但永磁體與定子齒槽之間的齒槽轉矩相互作用會產生振動和噪聲，導致電機運行性能降低［2］。尤其是功率較大的永磁同步電動機性能受到齒槽轉矩的影響更為突出。因此，在高性能大功率永磁電機設計中，對齒槽轉矩的優化研究有重要意義。其中，陳賢陽等運用設置轉子偏心度為變量參數的方法對一臺風機用內置式“V”型永磁同步電動機的轉子結構進行優化，將該款電機齒槽轉矩值降低了18.8%［1］。山東大學楊玉波博士等人研究了磁極偏移對齒槽轉矩影響，提出一種基于磁極偏移理論的計算磁極偏移角度的方法［4］。這種方法能較好地減小齒槽轉矩大小，但計算過程復雜，不適用實際工程設計場合。

本文利用ANSYS Maxwell 2D 有限元仿真軟件中的參數變量化設計優化方法確定永磁體最佳偏移角度，以削弱齒槽轉矩大小。已知一款陶瓷壓磚機用永磁同步電動機的主要參數，利用所述方法對其進行仿真優化分析，根據獲得的最好的磁極偏移角度值和其他設計參數制造電機，經過測試系統測得該款電機的各項性能指標滿足設計要求。

1 原理分析

如果把永磁電機電樞鐵芯的磁導率看作為恒定無窮大，則永磁體和氣隙的磁場能量的和可約等于電動機內存儲的能量［3］。可表示:

式中:μ0為真空中磁導率系數(θ)為永磁體的剩磁;g(θ，α)為空氣隙有效長度排布;hm為磁極厚度［3］。

式中:Z 為定子槽數。

又齒槽轉矩可表示為磁場能量W 相對于轉子旋轉角α 的負導數:

綜合式(1)、式(2)和式(3)代入式(4)，則得永磁鐵磁極偏移之后的齒槽轉矩表達式:

式中:LFe為電樞鐵心長度;R1為電樞外徑;R2為電樞內徑。

Brbnz和Brbnz:

但永磁體均勻分布時(即磁極未偏移)，此時Brbnz的值恒為零，則Brbnz可表示為:

當n 為Np的整數倍數時，Brbnz不等于0，Np可表示:

式中:p 為電機極對數;z 為槽的數量;GCD(z，2p)為2p 和z 的公約數最大值。

分析式(6)、式(7)、式(8)可得，如果永磁磁極相對稱，該次諧波不為0 的條件是n 取值是Np的倍數。

綜上所述，從理論上來講，對磁極進行適當偏移，能夠削弱永磁電動機的齒槽轉矩大小［3］。

2 電機模型及主要參數

本文研究的永磁同步電動機模型如圖2 所示。電機主要參數如表1 所示。

表1 電機主要參數

利用有限元分析軟件ANSYS Maxwell 2D 仿真，定轉子材料選用DW470_50 牌號硅鋼片。

3 尋求最佳磁極偏移角度

該方案的主要思路:運用ANSYS Maxwell 軟件的變量參數化分析優化方法，設置磁極片角度為變量進行掃描分析，找到使齒槽轉矩降低到最優值的磁極偏移角度［5－6］。

具體磁極偏移優化方法:在如圖3 所示的電機1/2 截面模型結構圖中按箭頭指示方向偏移磁極。磁極1 和磁極4 偏移角度大小為θ1°。磁極2 和磁極3 偏移角度大小為θ2。

圖3 永磁體磁極偏移

在Ansoft 軟件里的Optimetrics 引擎中設置變量，設置的變量值為磁極偏移角度θ1和θ2。為保持磁極偏移后各磁極之間間距相同，θ1和θ2應保持θ1=3θ2的關系。磁極偏移變量值如表2 所示。

表2 磁極偏移變量值

在Ansoft 軟件Maxwell 2D 模型中對已設置好磁極偏移參數變量的電機模型進行仿真計算。軟件計算結果齒槽轉矩曲線圖如圖4 所示。

圖5 位磁極偏移后的齒槽轉矩。從圖5 可以得出［θ1，θ2］=［3°，1°］時，齒槽轉矩值為0.09 N·m，該值僅為磁極未偏移優化時的17.8%。

圖5 磁極偏移后齒槽轉矩大小

上述試驗與研究表明，使用ANSYS Maxwell 2D的參數變量化設計優化方法能夠確定使電機齒槽轉矩達到最佳的偏移角度值大小。該方法所得的齒槽轉矩值達到最小的磁極偏移角度值，即為確定的磁極最佳偏移角度。

采用這種方法得到的最佳磁極偏移角度，對電機進行有限元負載分析。將磁極偏移之后對電機的輸出轉矩與優化前進行比較分析，如圖6 所示。

圖6 電機輸出轉矩曲線

經分析得知，磁極偏移優化前，電機的平均輸出轉矩為736. 68 N·m，偏移后的平均輸出轉矩為755.93 N·m，輸出轉矩提高19.25 N·m［8－9］。

4 樣機的試制與試驗

采用上述方法所得的磁極偏移角度及電機其他參數制造試驗樣機，如圖7 所示。

利用電機型式試驗平臺對樣機的性能進行檢測，測得的試驗數據與計算數據進行比較分析(表3)，電機的各項性能指標符合預定設計要求。

表3 實驗測試值與計算值對比

5 結 語

本文介紹了一種確定永磁同步電動機最佳磁極偏移角度的方法，以達到對齒槽轉矩大小的最大削弱。利用有限元軟件ANSYS 對一款陶瓷壓磚機用48 槽8 極調速永磁同步電動機進行仿真，利用參數變量化優化方法確定磁極的最佳偏移角度。在此偏移角度下，電機的齒槽轉矩值降至0.09 N·m。按照優化后的參數尺寸，試制樣機。仿真結果及試驗結果證明，本文提出的確定磁極偏移角度方法在實際工程中具有可行性，為永磁電機齒槽轉矩的削弱提供一種有效的方法。目前，利用該方案設計的電機得到公司和客戶的認可，已小批量生產，電機實際使用效果良好。

［1］ 陳賢陽，黃開勝，明國鋒，等.內置式“V”型永磁同步電動機的轉子結構優化［J］. 微電機，2014，47(6):15－17.

［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，1997:163－164.

［3］ 王秀和.永磁電機［M］.中國電力出版社，2010:87－89.

［4］ 楊玉波，王秀和. 磁極偏移削弱永磁電機齒槽轉矩方法研究［J］.電工技術學報，2006，21(10):23－25.

［5］ 張學成，楊向宇，趙世偉. 基于ANSOFT 的表貼式永磁電機齒槽轉矩的優化設計［J］.日用電器，2014，(10):48－50

［6］ 崔薇佳，黃文新，邱鑫.基于Ansoft 的內置式永磁電機齒槽轉矩優化研究［J］.電機與控制運用，2014，41(7):27－28.

［7］ 劉婷. 表貼式永磁同步電機齒槽轉矩削弱方法研究［D］. 長沙:湖南大學，2013:55－78.