低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)

劉文輝

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)

劉文輝

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

分析和研究了低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)。對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)的弊端及低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，對(duì)低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析，其研究熱點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組排布、齒槽轉(zhuǎn)矩抑制、齒諧波消除、永磁體退磁等幾個(gè)方面。

永磁直驅(qū)；同步電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)；工藝

0 引言

近年來，在電機(jī)及系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域存在兩大趨勢(shì)，即變頻化和永磁化。變頻調(diào)速能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，并保持良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)交流電動(dòng)機(jī)采用變頻起動(dòng)更能顯著改善其起動(dòng)性能。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的高速發(fā)展，變頻調(diào)速獲得了高精度的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。而隨著永磁材料制造工藝的提高及永磁電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及工藝問題也基本解決。將永磁電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，永磁電機(jī)在系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域?qū)⒂惺謴V闊的應(yīng)用前景。

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)為取消減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)提供可能性，與異步電機(jī)相比，低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)具有節(jié)能、環(huán)保、驅(qū)動(dòng)負(fù)載方式靈活、起動(dòng)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。電機(jī)及系統(tǒng)節(jié)能是我國(guó)實(shí)施節(jié)能減排既定國(guó)策的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

1 低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及工藝

1.1 低速永磁直驅(qū)同步電機(jī)的研究熱點(diǎn)

低速永磁直驅(qū)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組排布、齒槽轉(zhuǎn)矩抑制、齒諧波消除、永磁體退磁等幾個(gè)方面。

1.1.1 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式的選擇

永磁電機(jī)的磁極形式按安裝形式可以分為表面式和內(nèi)置式；按永磁體激勵(lì)的方向可分為徑向結(jié)構(gòu)、切向結(jié)構(gòu)和混合式。直驅(qū)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)形式見圖1、圖2。

圖1 表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

由于直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)較多，混合式在設(shè)計(jì)和工藝上都比較復(fù)雜，因此應(yīng)用較少。從變頻器SPWM電源與永磁電機(jī)匹配運(yùn)行所組成的低速大扭矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)化觀點(diǎn)出發(fā)，為保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有足夠的線性調(diào)節(jié)范圍，SPWM變頻器額定輸出頻率應(yīng)盡可能高(一般取25Hz以上)；為降低變頻器的成本和損耗，要求變頻器的額定輸出電流要盡可能小。因此，電機(jī)在設(shè)計(jì)上要采用多極結(jié)構(gòu)，以降低額定同步轉(zhuǎn)速；在大扭矩情況下，減小電機(jī)的額定電流，則必須使每極具有足夠強(qiáng)的激勵(lì)磁場(chǎng)。永磁體提供磁場(chǎng)的強(qiáng)度是與其勵(lì)磁面積相關(guān)的。切向式結(jié)構(gòu)一個(gè)極下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可以獲得更大的勵(lì)磁面積，因此切向式結(jié)構(gòu)非常適合用于極數(shù)較多的永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)。

1.1.2 分?jǐn)?shù)槽繞組在低速永磁直驅(qū)同步電機(jī)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

低速大扭矩電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組時(shí)，一般選擇極槽配合使得每極每相槽數(shù)q<1與采用整數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的電機(jī)相比，采用分?jǐn)?shù)槽繞組尤其是每極每相槽數(shù)q<1的分?jǐn)?shù)槽繞組的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在

(1)分?jǐn)?shù)槽繞組齒槽轉(zhuǎn)矩幅值小，有利于減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速控制精度，并能降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲；

(2)增加了繞組的分布效應(yīng)，改善了電機(jī)感應(yīng)反電勢(shì)的正弦性；

(3)電機(jī)每個(gè)極下的槽數(shù)減少，數(shù)目較多的小槽被數(shù)目較少的大槽替代，定子槽的有效利用面積更高，且線圈端部長(zhǎng)度可以縮短；

(4)分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)可能得到電機(jī)節(jié)距為1的集中繞組設(shè)計(jì)，此時(shí)電機(jī)的每個(gè)線圈只繞在一個(gè)齒上，線圈的周長(zhǎng)和繞組的端部的伸出長(zhǎng)度縮短，電機(jī)用銅量下降，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了電機(jī)效率。

1.1.3 齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原因與抑制方法

由于永磁電機(jī)的固有特點(diǎn)，決定了齒槽轉(zhuǎn)矩是一定存在的。齒槽轉(zhuǎn)矩能夠引起電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩與速度的變化，產(chǎn)生的振動(dòng)以及噪聲嚴(yán)重的影響了電機(jī)控制時(shí)的轉(zhuǎn)子定位精度，尤其當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的自有頻率和電樞電流的諧振頻率相一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在低速時(shí)更加的嚴(yán)重。

齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的根源在于定子齒槽的存在。由于定子表面開槽，當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子磁極與定子齒槽的相對(duì)不同位置時(shí)，主磁路的磁導(dǎo)發(fā)生了改變，電機(jī)轉(zhuǎn)子停在磁路磁導(dǎo)最小的位置上，因此齒槽轉(zhuǎn)矩也稱為定位轉(zhuǎn)矩。通俗一點(diǎn)講，當(dāng)手里拿著一塊永磁體接近一塊鐵時(shí)，總會(huì)感覺到有一股吸引力使永磁體吸向鐵。在電機(jī)內(nèi)部，永磁體也是被鐵心吸引著，各個(gè)永磁體所受吸引力合成的結(jié)果就是使轉(zhuǎn)子停在使吸引力之和為零的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過某一個(gè)小角度時(shí)，永磁體離開原來平衡位置，定子鐵心對(duì)它產(chǎn)生了吸引力，這個(gè)吸引力力圖把轉(zhuǎn)子拉回原來的平衡位置就產(chǎn)生了阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的磁阻轉(zhuǎn)矩。圖3是單個(gè)槽口隨磁極位置變化齒槽轉(zhuǎn)矩變化情況。當(dāng)磁極極間中線處在零點(diǎn)位置的磁阻轉(zhuǎn)矩為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子移開, 磁極極間中線偏移零點(diǎn)位置時(shí)，由于磁阻變化產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩，力圖將轉(zhuǎn)子拉回平衡位置。一臺(tái)槽數(shù)為Q、極數(shù)為2p電機(jī)的總齒槽轉(zhuǎn)矩，可以理解為對(duì)于每個(gè)槽口面對(duì)2p個(gè)磁極極間產(chǎn)生的單元齒槽轉(zhuǎn)矩的疊加，然后是Q個(gè)槽口齒槽轉(zhuǎn)矩的疊加。總的齒槽轉(zhuǎn)矩可以表示為

(1)

式中，Ti，φi—分別為第i次齒槽轉(zhuǎn)矩諧波的幅值和相角；Np—定子槽數(shù)Q和極數(shù)2p的最小公倍數(shù)；α—定轉(zhuǎn)子軸線之間的機(jī)械角度；Ksk—斜槽因子，如果沒有斜槽則Ksk=1。

圖3 單個(gè)槽口齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁極位置變化情況

目前，綜合國(guó)內(nèi)外的各種研究成果來看，齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制方法可總結(jié)為三大類：一是改變定子鐵心參數(shù)也就是從改變定子結(jié)構(gòu)來考慮；二是改變永磁體參數(shù)也就是從改變永磁體即轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來考慮；三是選擇合理的極數(shù)和槽數(shù)是從改變定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)配合角度來說，也就是通常所說的極槽配合。具體措施有：不等寬的槽口、定子槽的不均勻分布、磁極的偏移、永磁體形狀的優(yōu)化以及不同極弧系數(shù)的優(yōu)化組合、斜槽、斜極、磁性槽楔、分?jǐn)?shù)槽繞組等。

1.1.4 齒諧波影響的消除

在異步電動(dòng)機(jī)中, 通常采用轉(zhuǎn)子斜槽的方法來消除齒諧波的影響。在永磁電機(jī)中，可以通過采用分?jǐn)?shù)槽繞組來部分消除齒諧波的影響。但要徹底消除齒諧波可能造成的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲，仍有必要采用斜槽方式。由于永磁體一般是規(guī)則的長(zhǎng)方體，采用轉(zhuǎn)子斜槽會(huì)給永磁體安裝帶來不必要的麻煩。因此，只有采用定子斜槽的工藝。理論分析表明，斜一個(gè)定子槽就可以消除齒諧波。但考慮到永磁電機(jī)的極弧系數(shù)一般比異步電動(dòng)機(jī)的小，磁極的邊緣效應(yīng)也要比異步電動(dòng)機(jī)的強(qiáng),所以理想的斜槽數(shù)應(yīng)是

(2)

式中，β—定子槽兩端沿氣隙圓周扭轉(zhuǎn)的弧長(zhǎng)；α—極弧系數(shù)；p—電機(jī)極對(duì)數(shù)；τ—定子槽沿氣隙圓周的槽距弧長(zhǎng)。

1.1.5 分?jǐn)?shù)槽繞組在低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

在一般的交流電機(jī)設(shè)計(jì)中，可以通過電機(jī)定子繞組的分布和短距來消除諧波。但在采用了多極的低速永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)中, 已經(jīng)不可能有足夠的電樞繞組槽來供分布使用。采用整距集中繞組顯然對(duì)電樞繞組內(nèi)電勢(shì)波形正弦化不利。因此，采用分?jǐn)?shù)槽繞組幾乎是惟一的選擇。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)基本理論，分?jǐn)?shù)槽繞組不但可以有效地消弱電樞繞組內(nèi)電勢(shì)中的高次諧波，而且對(duì)于Vx次的齒諧波同樣有消除作用。

Vx=2mq±1

(3)

式中，Vx—齒諧波電勢(shì)的次數(shù);m—電樞繞組的相數(shù);q—電樞繞組每極每相槽數(shù)。

1.1.6 永磁體退磁原因及防退磁措施

對(duì)比分析了現(xiàn)存的幾類大型變壓器運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方案，結(jié)合本項(xiàng)目的具體情況，確定了以下方案：本系統(tǒng)主要由控制臺(tái)、通訊服務(wù)器、手機(jī)服務(wù)器、本地操作工具四部分構(gòu)成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)的前臺(tái)包括顯示界面和手機(jī)終端上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)警信息顯示以及設(shè)置報(bào)警閾值，后臺(tái)包括各部分連接和監(jiān)權(quán)、數(shù)據(jù)采集解析、實(shí)時(shí)報(bào)警和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等。

1.1.6.1 永磁電機(jī)退磁原因分析

磁性材料種類多種多樣，性能差異也很大，但它們都有磁性能穩(wěn)定的問題。永磁體穩(wěn)定性主要受溫度、振動(dòng)、時(shí)間、電流沖擊的影響。永磁體失磁的原因很復(fù)雜，有可能是一個(gè)原因造成的，也可能是多個(gè)原因綜合作用的結(jié)果。但是通常來講，永磁體失磁主要有材料本身性能、機(jī)械、化學(xué)和電磁等方面的原因

(1)材料本身的原因

目前國(guó)內(nèi)在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)，一般不考慮永磁體性能的差異性。然而，釹鐵硼永磁體在制造過程中，添加合金元素的多少、熔煉工藝、制粉工藝、成型工藝、燒結(jié)回火工藝都會(huì)影響永磁體的性能。

(2) 機(jī)械和化學(xué)方面的原因

釹鐵硼永磁體中含有大量的鐵和釹，鐵是很容易氧化的物質(zhì)，所以要對(duì)其表面進(jìn)行噴涂處理。現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是環(huán)氧樹脂噴涂、電泳和電鍍?nèi)N涂層。在抗溶劑能力方面，電鍍的抗性>環(huán)氧樹脂涂層的抗性>電泳的抗性。在抗沖擊能力方面，電鍍的抗性>電泳的抗性>環(huán)氧樹脂涂層的抗性。在抗鹽霧能力方面，電泳的抗性>環(huán)氧樹脂涂層的抗性>電鍍的抗性。不同涂層抗腐蝕的能力不同，因此要根據(jù)使用情況來進(jìn)行噴涂。在永磁電機(jī)的生產(chǎn)過程中，由于裝配不當(dāng)，永磁體的涂層遭到破壞；使用過程中，電機(jī)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，會(huì)使永磁體損傷、碎裂，從而造成永磁體性能下降甚至喪失。

釹鐵硼永磁材料具有高剩磁密度、高磁能積、高矯頑力的特點(diǎn)，它的磁性能高于稀土鈷永磁，是目前磁性能最高的永磁材料，因而被廣泛應(yīng)用于稀土永磁電機(jī)中。釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，溫度系數(shù)較高，因而在高溫使用時(shí)磁損失較大。

定子齒槽效應(yīng)、繞組磁動(dòng)勢(shì)的非正弦分布和繞組中的諧波電流所產(chǎn)生的諧波磁動(dòng)勢(shì)也會(huì)在轉(zhuǎn)子永磁體、實(shí)心轉(zhuǎn)子軛和綁扎永磁體的金屬護(hù)套中引起渦流損耗，渦流損耗會(huì)產(chǎn)生較高的溫升。高溫使已經(jīng)處于規(guī)則排列的磁疇、疇壁產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)(磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，磁疇疇壁移動(dòng))，導(dǎo)致“帶向”磁疇排列紊亂，磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)外就顯示不出磁性，因而發(fā)生退磁。

(4)電機(jī)故障工況方面的原因永磁電機(jī)在發(fā)生短路、堵轉(zhuǎn)等極端工況時(shí)，電樞電流瞬間增大，當(dāng)去磁性質(zhì)的直軸電樞反應(yīng)電勢(shì)大到一定程度就會(huì)導(dǎo)致永磁體永久性退磁。

1.1.6.2 防止退磁的措施

(1)永磁體制造工藝改進(jìn)

隨著燒結(jié)型永磁體生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備的升級(jí)，永磁體一般不會(huì)出現(xiàn)充磁不充分、磁場(chǎng)不均勻的殘次品。根據(jù)永磁體的使用環(huán)境和條件，有針對(duì)性的噴涂涂層來避免永磁體發(fā)生腐蝕；在電機(jī)生產(chǎn)過程中，可以通過螺釘來加固永磁體，防止振動(dòng)造成永磁體的損壞。以上措施克服了永磁體在材料本身、機(jī)械和化學(xué)方面的不利因素。

(2)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)于減少永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流，在設(shè)計(jì)上一般有以下幾種手段：一是電機(jī)采用正弦化設(shè)計(jì)，降低諧波的含量；二是永磁體結(jié)構(gòu)由表貼式徑向勵(lì)磁改為內(nèi)置式切向勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓；三是永磁體采用軸向分段結(jié)構(gòu)。切斷永磁體渦流的回路．在轉(zhuǎn)子端面安裝擋片來固定永磁體。以上措施減少渦流損耗導(dǎo)致的永磁體發(fā)熱，對(duì)于防止由于溫度高導(dǎo)致的退磁具有顯著效果。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著永磁電機(jī)及電力電子和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁直驅(qū)同步電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于低速大轉(zhuǎn)矩工業(yè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，節(jié)能效果十分顯著。實(shí)踐證明永磁直驅(qū)同步電機(jī)系統(tǒng)在采購(gòu)成本、系統(tǒng)維護(hù)、節(jié)能減排效果等方面均大大優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

[1] 王秀和. 永磁電機(jī)(第二版). 北京：中國(guó)電力出版社，2011.1.

[2] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.12.

[3] 劉平宙，方丹，王兆巖，等.永磁同步電機(jī)電樞電感和輸出轉(zhuǎn)矩的分析計(jì)算.防爆電機(jī)，2013.6.

Technology of Low-Speed Permanent Magnet Direct-Drive Synchronous Motor

LiuWenhui

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

This paper analyzes and studies the design and technology of low-speed permanent magnet direct-drive synchronous motor, describes disadvantages of traditional industrial system and advantages of the motor, and analyzes research hotspots of this kind of motors such as rotor magnetic circuit structure, stator winding arrangement, cogging torque inhibition, tooth harmonic elimination and permanent magnets demagnetization.

Permanent magnet direct-drive；synchronous motor；design；technology

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.02

TM357

A

1008-7281(2017)03-0006-004

劉文輝 男 1983年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作.

2017-01-11