表面-內(nèi)置式永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙素珍,司紀(jì)凱,封海潮,張新良,封孝輝

(1.河南理工大學(xué),焦作454003;2.華北科技學(xué)院,北京101601)

0 引 言

表面-內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(以下簡稱SIPMSM),綜合了表面式和內(nèi)置式永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),減小漏磁,省去隔磁橋,提高機(jī)械強(qiáng)度,擁有較高的過載能力。然而在SIPMSM中,永磁體與有槽電樞鐵心相互作用產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此對于齒槽轉(zhuǎn)矩的研究一直都很受關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4]采用解析法與有限元法相結(jié)合的方法研究槽口寬度對內(nèi)置式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。先確定對齒槽轉(zhuǎn)矩有影響的氣隙磁導(dǎo)平方的傅里葉分解次數(shù),再計(jì)算槽口寬度變化對氣隙磁導(dǎo)平方的傅里葉分解次數(shù)的影響,最終確定最佳槽口寬度。該方法既確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性,又減少了計(jì)算時(shí)間。文獻(xiàn)[5]基于單個(gè)槽口和一個(gè)磁極中心產(chǎn)生的齒槽拉力的移相疊加模型,采用有限元分析永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與槽口寬度的關(guān)系。在特定槽口寬度下疊加的轉(zhuǎn)矩會(huì)互相抵消并發(fā)生周期畸變的情況,這樣能使轉(zhuǎn)矩最小化。文獻(xiàn)[6-9]提出了采用磁極形狀、極弧系數(shù)組合、等半徑磁極、靜態(tài)偏心、極數(shù)和槽數(shù)配合等方法減小齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[10]具體分析了定子開焊槽對永磁電機(jī)空載反電勢的影響,并研究了焊槽的不同位置對反電勢的影響,提出優(yōu)化焊槽尺寸和選擇合理的焊槽數(shù)量的方案。本文對SIPMSM進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過改變定子槽型削弱齒槽轉(zhuǎn)矩、降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、降低空載反電勢諧波含量,提高電機(jī)的工作性能。通過有限元仿真,驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

1 SIPMSM的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

SIPMSM采用表面-內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),表面式永磁體具有引導(dǎo)磁通和聚磁的效果,使得該電機(jī)漏磁少,內(nèi)置式永磁體周圍無漏磁磁通,表面式永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心之間有少量漏磁,又由于表面式永磁體與內(nèi)置式永磁體形成磁路上的串聯(lián)關(guān)系,因此SIPMSM有效磁通較高。SIPMSM結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要參數(shù)如表1所示。

表1 SIPMSM參數(shù)

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

SIPMSM有限元仿真模型如圖2所示。

圖2 SIPMSM有限元仿真模型

2.2 SIPMSM仿真結(jié)果

通過仿真可得SIPMSM額定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩如圖3所示。一個(gè)齒距上的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖4所示,空載反電勢如圖5所示。

圖3 SIPMSM額定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩

圖4 SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩

圖5 SIPMSM空載反電勢及頻譜分析

由圖3可知,SIPMSM平均轉(zhuǎn)矩為43.46 N·m,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為12.05%。由圖4可知,SIPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值為2.7 N·m。由圖5可知,SIPMSM空載反電勢基波分量有效值為189.15 V,諧波含量為32.37%。

由以上計(jì)算結(jié)果可知,SIPMSM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、齒槽轉(zhuǎn)矩大、空載反電勢諧波含量大,因此需要對SIPMSM的定子槽型進(jìn)行優(yōu)化。

3 SIPMSM定子槽型優(yōu)化

影響永磁電機(jī)的輸出性能有兩種轉(zhuǎn)矩:一種是由定子磁動(dòng)勢諧波與轉(zhuǎn)子磁場諧波相互作用產(chǎn)生的紋波轉(zhuǎn)矩;另一種是由于永磁體與定子齒之間相互作用力產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩。所以只要削弱齒槽轉(zhuǎn)矩就可以改變SIPMSM的特性。因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩是永磁體與定子齒之間的靜態(tài)力,所以本文采用閉口槽代替半閉口槽可有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)在采用閉口槽也很方便嵌線,目前有一種加工工藝是將定子做成兩個(gè)部分,一部分為定子軛,另一部分為定子齒。先在定子齒部分繞好線,然后再與定子軛直接扣接起來,方便嵌線。閉口槽型如圖6所示。

圖6 SIPMSM定子槽型

為了對比分析不同槽口型的不同槽口拱高變化對SIPMSM的影響,使用有限元法仿真計(jì)算了SIPMSM不同槽口拱高時(shí),SIPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢。表2和表3分別為尖口型閉口槽和平口型閉口槽的齒槽轉(zhuǎn)矩,并分別與半閉口槽的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比。

表2 SIPMSM尖口型閉口槽齒槽轉(zhuǎn)矩

表3 SIPMSM平口型閉口槽齒槽轉(zhuǎn)矩

由表2可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨之減小,相對齒槽轉(zhuǎn)矩下降逐漸增大。由表3可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨之減小,相對齒槽轉(zhuǎn)矩下降逐漸增大。對比表2和表3可知,尖口型閉口槽和平口型閉口槽在拱高為0.4 mm時(shí),尖口型閉口槽齒槽轉(zhuǎn)矩峰值比平口型閉口槽的小0.28 N·m,相對齒槽轉(zhuǎn)矩下降比平口型閉口槽下降10.37%,優(yōu)化效果更突出。對于表2和表3中,個(gè)別不符合整體減小趨勢的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值可以考慮忽略。

SIPMSM尖口型閉口槽和平口型閉口槽的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以及各自和半閉口槽的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對比,分別如表4和表5所示。

表4 SIPMSM尖口型閉口槽轉(zhuǎn)矩

表5 SIPMSM平口型閉口槽轉(zhuǎn)矩

由表4可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)隨之減小,相對轉(zhuǎn)矩和相對轉(zhuǎn)矩波動(dòng)逐漸增加。當(dāng)尖口型槽口拱高為0時(shí),平均轉(zhuǎn)矩下降的幅度最小和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降最多。由表5可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是減小的,相對轉(zhuǎn)矩和相對轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是逐漸增加的。綜合平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)考慮,當(dāng)平口型槽口拱高為0.3 mm時(shí)的效果是最好的。對比表4和表5可知,對于同樣的槽口拱高,尖口型閉口槽的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要比平口型閉口槽小,但平均轉(zhuǎn)矩比平口型閉口槽大。對于表4和表5中,有個(gè)別轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不符合減小的趨勢是因?yàn)樗鼈兊凝X槽轉(zhuǎn)矩大小不同引起的。

SIPMSM三種槽型的齒部磁密如圖7所示,其中圖7(a)是半閉口槽齒部磁密,圖7(b)是尖口型閉口槽齒部磁密,圖7(c)是平口型閉口槽齒部磁密。

圖7 SIPMSM三種槽型的齒部磁密

由圖7可知,半閉口槽齒部磁密很小,幾乎沒有漏磁。尖口型閉口槽和平口型閉口槽的齒部磁密都比較大,尤其是槽口拱高處的磁密。尖口型閉口槽和平口型閉口槽漏磁較多,導(dǎo)致平均轉(zhuǎn)矩降低。這就是尖口型閉口槽和平口型閉口槽平均轉(zhuǎn)矩減小的原因。雖然平均轉(zhuǎn)矩有所降低,但轉(zhuǎn)矩下降的比率較小,而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降的比率較大。比如當(dāng)采用尖口型閉口槽拱高為0時(shí),平均轉(zhuǎn)矩下降0.07%,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降14.36%。因此本文采用閉口槽可以改善SIPMSM的性能。

SIPMSM尖口型閉口槽、平口型閉口槽和半閉口槽的空載反電勢基波有效值及諧波含量對比分別如表6和表7所示。

表6 SIPMSM尖口型閉口槽空載反電勢

表7 SIPMSM平口型閉口槽空載反電勢

由表6可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,空載反電勢基波有效值隨之減小,諧波含量基本不變。由表7可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,空載反電勢基波有效值隨之減小,諧波含量基本不變。對比表6和表7可知,兩種槽型與半閉口槽空載反電勢基波有效值相比差別不大,但諧波含量有所下降,尖口型閉口槽諧波含量減小比平口型閉口槽明顯。當(dāng)拱高為0.5 mm時(shí),尖口型閉口槽相對諧波含量下降比平口型閉口槽大5.31%。

4 結(jié) 語

本文采用有限元法計(jì)算了不同定子槽型的不同拱高對SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和空載反電勢的影響,對比分析優(yōu)化前的結(jié)果得出以下結(jié)論:

(1)在削弱齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí),采用拱高都為0.8 mm的尖口型閉口槽和平口型閉口槽的優(yōu)化效果是相同的,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值都為0.23 N·m,齒槽轉(zhuǎn)矩峰值都降低了91.48%,因此兩種槽型都可以采用。

(2)在降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí),綜合考慮平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)兩項(xiàng)指標(biāo),拱高為0時(shí)的尖口型閉口槽優(yōu)化效果最好,平均轉(zhuǎn)矩為43.43 N·m,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降14.36%。拱高為0.3 mm的平口型槽口時(shí)的效果是最好的,平均轉(zhuǎn)矩為41.71 N·m,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降10.09%。因此采用拱高為0時(shí)的尖口型閉口槽。

(3)在優(yōu)化空載反電勢時(shí),綜合考慮空載反電勢基波有效值和諧波含量兩項(xiàng)指標(biāo),拱高為0.1 mm的尖口型閉口槽優(yōu)化效果最好,空載反電勢基波有效值為189.63 V,諧波含量下降12.49%;拱高為0.1 mm的平口型閉口槽優(yōu)化效果最好,空載反電勢基波有效值為187.53 V,諧波含量下降10.07%。因此采用拱高為0.1 mm的尖口型閉口槽。

綜合不同定子槽型的不同拱高對SIPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和空載反電勢的影響,平口型閉口槽沒有尖口型閉口槽優(yōu)化效果好,而拱高為0.2 mm的尖口型閉口槽優(yōu)化效果最好,因此本文最終采用拱高為0.2 mm的尖口型閉口槽。

[1] 王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國電力出版社,2010.

[2] 司紀(jì)凱,劉志鳳,司萌,等.一種新型轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)磁場分析及特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(2):348-352.

[3] 司紀(jì)凱,何松,封海潮,等.表面-內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子同步電機(jī)等效磁路法特性分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(5):1199-1205.

[4] 楊玉波,王秀和,朱長青.電機(jī)槽口寬度對內(nèi)置式永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2011,15(7):1-4.

[5] 董仕震,馬雋.減小齒槽轉(zhuǎn)矩的永磁電動(dòng)機(jī)槽口優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2007,40(12):1-3.

[6] PARK K J,JUNG D S,CHANG H S,et al.A study on the reducing of cogging torque of IPMSM[C]//2008 International Conference on Electrical Machines and Systems,Wuhan,2008:3137-3141.

[7] DONMEZER Y,ERGENE L T.Cogging torque analysis of interiortype permanent-magnet brushless DC motor used in washers[C]//8th International Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems,Lille,2009:1-6.

[8] KO H S,KIM K J.Characterization of noise and vibration sources in interior permanent-magnet brushless DC motors[J].IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(6):3482-3489.

[9] LASER D J,SANTIGO J G.A review of micropump[J].Journal of Micromechanics&Microengineering,2004,14(6):35-64.

[10] 裴鋒,薛勇.定子焊槽對永磁電機(jī)空載反電勢的影響[J].微特電機(jī),2015,43(6):16-19.