三相永磁同步電動機偏心轉子結構瞬態分析

劉文輝

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

三相永磁同步電動機偏心轉子結構瞬態分析

劉文輝

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

分析和研究了三相永磁同步電動機偏心轉子結構的優點。運用Ansoft語言建立了仿真模型。以一臺三相永磁同步電動機為例，仿真了偏心轉子與整圓轉子結構時的電機瞬態過程，并給出了空載反電勢、齒槽轉矩的瞬態曲線。通過仿真與理論相結合進行分析，得出三相永磁同步電動機采用偏心轉子結構后，電機空載反電勢及齒槽轉矩變化的趨勢。

永磁同步電動機；數學模型；偏心轉子；瞬態

0 引言

我國電動機保有量約4億kW以上，年產3600萬kW，消耗電能占發電量60%。從節能方面考慮，永磁電動機是一種非常理想的電動機。據電力部門估算，煤炭行業使用的風機、水泵，五六十年代的老設備約占1/3，其自身運行效率只有30%～40%，系統運行效率大約為20%，如用量較大的5kW水泵要用7.5kW電機代替，實際指在3kW左右載荷下運行，使用效率只有38%，造成巨大的能源浪費，這種電機若采用稀土永磁專用電機，電機成本只增加30%～50%，但電機運行效率可提高到50%～55%，從根本上改變能源浪費狀況，如果每年生產300萬kW稀土永磁電機，可為國家節省電力投資6億元，節省電費3億元。

與傳統的電勵磁同步電機相比，永磁同步電機，特別是稀土永磁同步電機優點甚多：永磁同步電機損耗少、效率高、節電效果明顯。永磁同步電機用永磁體提供磁場，取代了電勵磁方式，不存在電勵磁損耗，在同步運行時，轉子繞組無感應電流，就沒有銅耗，轉子鐵心中也沒有損耗，因此，永磁同步電動機的效率要高于電勵磁同步電機和異步電機的效率。而且由于永磁同步電機不需要從電網中吸取滯后的勵磁電流，從而大大節約了無功，極大地提高了電機的功率因數，所以永磁同步電機在25%～120%額定負載范圍內均可以保持較高的效率和功率因數，電機的節電效果顯著。

1 齒槽轉矩對三相永磁同步電動機的影響分析

齒槽轉矩是永磁電機的特有問題之一，齒槽轉矩是由轉子的永磁體磁場同定子鐵心的齒槽相互作用，在圓周方向產生的轉矩。此轉矩與定子的電流無關，它總是試圖將轉子定位在某些位置。齒槽轉矩產生的根源在于定子齒槽的存在，由于定子表面開槽，當永磁轉子磁極與定子齒槽的相對不同位置時，主磁路的磁導發生了變化，電機轉子有趨向于停在使磁路磁導最小的位置上，因此齒槽轉矩也稱為定位轉矩。通俗來講，當手里拿著一塊永磁體接近一塊鐵時，總會感覺所受一股吸引力合成的結果就是使轉子停在使吸引力之和為零的位置。當轉子轉過某一個小角度時，永磁體離開原來平衡位置，定子鐵心對它產生了吸引力，這個吸引力力圖把其拉回原來的平衡位置，這個吸引力就產生了阻礙轉子轉動的磁阻轉矩。一臺槽數為Q、級數為2p電機的總齒槽轉矩，可以理解為對于每個槽口面對2p個磁極級間產生的單元齒槽轉矩的疊加，然后是Q個槽口齒槽轉矩的疊加。總的齒槽轉矩可以表示為

式中，Ti、Xi—表示第i次齒槽轉矩諧波的幅值和相角；Np—定子槽數Q和級數2p的最小公倍數；α—定轉子軸線之間的機械角度；K—斜槽因子，如果沒有斜槽則K=1。

齒槽轉矩的存在對永磁電機的運行有著十分不利的影響。齒槽轉矩會引起輸出轉矩的脈動和噪聲，齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。

2 偏心轉子模型的建立

2.1 采取不均勻氣隙削弱齒槽轉矩的數學模型

由于永磁體內置，若忽略鐵磁材料的磁壓降，則在同一極下的電樞內表面和轉子外表面分別為等磁位面，氣隙磁動勢F為矩形波。采用不均勻氣隙時，一般力圖使氣隙磁密按正弦分布

則

可認為

則

式中，δmin—最小氣隙。

滿足這種變化規律的氣隙在工藝上實現困難，可把磁極外表面做成與定子鐵心不同心的圓弧形，如圖1所示。最大氣隙δmax為

偏心距h為

極弧半徑為R2=R1-h-δmin

2.2 偏心轉子的物理模型

偏心轉子的物理模型如圖1所示。

圖1 三相異步電動機示意圖

2.3 偏心轉子永磁電機的仿真模型

為某用戶設計的TYC315L1-4 160kW380V電機，運用Ansoft軟件模塊建立仿真分析模型如圖2所示。

圖2 三相異步電動機仿真模型

3 三相永磁同步電動機偏心轉子仿真分析

3.1 空載反電勢分析

衡量永磁同步電動機一個很重要的指標就是空載電壓波形，圖3為電動機相空載反電動勢波形，各次諧波含量較高，盡管通過定子斜槽可以大大降低各次諧波含量，但定子斜槽時，定子疊片浪費大量工時，浪費人力，增加成本，故本次研發的系列產品皆采用轉子偏心(即偏心氣隙)的結構來消除諧波，接下來的仿真我們都會對偏心前后結果進行對比，具體見圖3和圖4。由圖4可以清晰地看出轉子偏心后電壓波形是無限接近正弦波形的。

圖3 整圓轉子空載反電勢波形

圖4 偏心轉子空載反電勢波形

由圖5、圖6亦可知，正常氣隙電壓畸變率14.3%，偏心氣隙電壓畸變率3.2%，畸變率越小表示各次諧波含量越少，偏心氣隙后的諧波含量低，已達到我們要降低諧波含量的要求。

圖5 整圓轉子反電勢傅里葉級數分解

圖6 偏心轉子反電勢傅里葉級數分解

3.2 齒槽轉矩仿真分析

降低齒槽轉矩的方法有很多種，可分為三大類。第一大類為改變磁極參數的方法，此類方法包括：改變磁極的極弧系數、采用不等厚永磁體、磁極偏移、斜極、磁極分段、不等極弧系數組合和采用不等極弧系數等；第二大類為改變電樞參數的方法，此類方法包括：改變槽口寬度、改變齒的形狀、不等槽口寬、斜槽、開輔助槽等；第三大類為合理選擇電樞槽數和級數。在生產中，可根據實際情況采用合適的削弱方法，既可采用一種方法，也可采用幾種方法的組合。本方案采用的是轉子偏心降低齒槽轉矩。

整圓轉子齒槽轉矩最大幅值為14.8 N·m，該臺電動機機的額定轉矩為1018.7 N·m，所占比例為1.45%；偏心氣隙后的電機齒槽轉矩的最大幅值為1.34 N·m，所占比例為0.132%，大大降低齒槽轉矩。

圖7 整圓轉子齒槽轉矩曲線

圖8 偏心轉子齒槽轉矩曲線

4 結語

通過對三相永磁同步電動機偏心轉子進行仿真研究可以看出：采用偏心轉子后可大大降低諧波含量，使得電動機波形無限接近正弦波，從而降低各項損耗，提高電動機效率。

采用偏心轉子后也可大大降低永磁電機齒槽轉矩，降低由于轉矩脈動所產生的振動及噪聲。

[1] 王秀和. 永磁電機(第二版).北京：中國電力出版社，2011.1.

[2] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計. 北京：機械工業出版社，2015.12.

[3] 崔昌煥.永磁式風力發電機的關鍵技術.防爆電機，2016.2.

Transient Analysis on Eccentric Rotor Structure of Three-Phase PMSM

LiuWenhui

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

This paper analyzes and studies the advantages of eccentric rotor structure for three-phase PMSM. The simulation model is established by using Ansoft language. Taking a three-phase PMSM as an example, the transient processes of motor with eccentric rotor and round rotor structures are simulated, and the transient curves of no-load back EMF and cogging torque are given. Through simulation and theory analyses, variation trends of no-load back EMF and cogging torque are obtained for three-phase PMSM with eccentric rotor structure.

PMSM;mathematical model;eccentric rotor;transient state

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.02

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0005-004

劉文輝 男 1983年生；畢業于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業，現從事電機設計研發工作.

2017-01-10