基于永磁同步電動機的結構設計與仿真分析

高志遠，李家學，張惟

（廣東理工學院工業自動化系，廣東肇慶，526100）

0 引言

由于在傳統起重、采礦和冶金行業中，所使用的大部分的電機采用的是異步電動機，其輸出的力矩和速度受到一定的限制[1]。雖然可以通過添加中間傳遞裝置—機械減速機達到正常運作的目的，但是異步電機和減速器構成的驅動系統結構復雜、轉動慣量大、效率低、噪聲大、潤滑油滲漏污染、維護頻繁等缺點，這些都不利于驅動系統的控制，不能較好的體現其優勢，更加無法適應現代工業和制造業的發展要求[2]。

隨著永磁材料性能的提升和完善，永磁電動機的性能不斷提升，結合我國的稀土資源的優勢，大力發展永磁電機的發展，提高電機的性能，推廣永磁電機的應用范圍，對我國的經濟發展奠定良好的基礎[3]。

1 永磁電機的結構分析

永磁同步電動機具備體積小、重量輕、結構簡單、效率高、可以實現直驅控制等優點，將永磁電機應用到起重行業實現整個起重系統低速、大扭矩、低噪聲的特性是一個相當有意義的項目[4]。

隨著永磁電動機結構的不斷改進，設計者將起重機的永磁電機、減速箱、起重卷筒三個重要零部件組成一體，將永磁電機的轉子看成起重機的卷筒，其定子看作轉動軸，并直接固定在機架上，這樣有效的簡化了起重機的結構，提高了傳動效率和使用壽命。起重機采用永磁電機的結構如圖1所示。

圖1 永磁電機的結構

根據起重機用永磁同步電機的特點，對起重機用永磁同步電機的電磁設計、參數選取原則等相關技術進行研究，設計一臺4極18槽永磁同步電機，該電機的主要性能指標參數如下：額定功率為7.5KW，額定轉矩為580Nm，額定轉速為1500rpmin，額定的工作電壓為380V，絕緣等級為F級，最大外徑為400mm。

2 永磁電機的結構設計

由于該起重機在不同負載下使用的頻率不同，據統計永磁同步電機工作負載大于滿負荷80%的時間處于全部工作時間的50%以下，因此該電機應該考慮設計為輕載狀態，以此保證電機擁有較高的使用壽命和良好的控制性能。

■2.1 轉子磁路的結構設計

由于該驅動系統處于輕負載下運行，電機的調速范圍較小，我們初選表面凸出式的轉子磁路結構，徑向布置磁路，這樣使得電機的轉子結構具有質量小、成本低廉、磁路面積較大等優點。

■2.2 永磁體材料的選擇

隨著永磁材料的蓬勃發展，其材料的種類也多種多樣，材料的選擇直接決定永磁電機的性能的好壞和成本的高低。一般選擇要符合的條件：第一，永磁同步電機在工作過程中能夠產生足夠強的氣隙磁場，并且方便制造加工和安裝，以達到設計電機的技術要求和性能參數；第二，電機在低速大扭矩運行時，其電樞產生的電流較大，對材料的磁力能力破壞嚴重，因此選用的材料需矯頑力較大，抗去磁能力強；第三，永磁材料應具有持久、穩定的磁力，尤其是在嚴酷的環境下，不能發生衰減或消失，這樣才能保證電機的長期可靠運行。

■2.3 電樞繞組的設計

起重機采用永磁同步電機作驅動機構時，由于電機工作過程中銅耗較大，一般設計時應盡量提高永磁同步電機的每一極氣隙磁通，適當的減小匝數來降低電機的銅耗。永磁同步電機的電樞繞組的設計采用分數槽繞組。由于起重機用永磁同步電機極數較多，如果選用整數槽繞組時，則電機的定子槽數較多，就會使得齒部寬度降低，導致齒部磁密的飽和度不高，不利于每一極氣隙磁通的優化，甚至影響電機的性能。同時，分數槽繞組的跨距較小，線圈端部長度減小，電機的銅耗就會降低。

■2.4 極弧系數的選擇

極弧系數是永磁同步電機的一個重要參數，該參數的直接影響永磁電機的隙磁場諧波畸變率的大小，進而影響電機的整體性能。該參數一般在0.60～0.95 之間進行取值，得到永磁同步電機空載情況下的不同極弧系數對氣隙磁場的諧波畸變率的變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同極弧系數氣隙磁場諧波畸變率

從圖2中分析得出，極弧系數從 0.6增加到0.95的過程中，氣隙磁場諧波畸變率的變化數值是先減小后增大；在極弧系數為 0.7 時，氣隙磁場諧波畸變率最小，其數值為15%，極弧系數為 0.95時，氣隙磁場諧波畸變率最大，其數值為35%。

3 永磁同步電機的仿真分析

通過對永磁電機的設計，建立永磁同步電機的樣機模型，并采用試驗的方式進行對比分析。在試驗過程中給永磁同步電機380V的交流電壓，測量其電壓、電流、轉速、輸出扭矩、輸入功率、輸出功率和效率等參數，并與Maxwell的仿真的計算值作比較，得到結果如表1所示。

表1 Maxwell仿真的結果與樣機的結果對比

從上述表1的結果可以看出，通過Maxwell的理論值與計算值比較后，其差值的百分比均小于4%，該誤差在工程允許的范圍內，該電機運行平穩，噪音小、電氣控制良好，驗證了該設計優化方案的合理性。

4 總結

通過對起重機的永磁同步電機進行了設計分析研究，分析了轉子內徑、轉子的結構、極弧系數以及材料選取等性能參數的設計，將其設計得到的結果與樣機進行比較，所設計的永磁同步電機符合樣機的性能指標。同時通過對永磁同步電機的結構設計，使其結構更加的緊湊、體積小、重量輕、噪聲低、節能節材、安全可靠，改變了傳統起重機的傳動結構，有效地減輕了起重設備的體積和質量，提高了驅動系統的整體效率。

* [1]柳陽.基于永磁調速技術的起重機工作機構動力學分析[D].太原科技大學,2017.

* [2]程力,何偉,施文麗,常娜.橋式起重機起升機構動力學建模及仿真分析[J].機械制造,2016,54(06):5—8.

* [3]解洪超,于海生.永磁同步電機調速系統的實現與實驗研究[J].青島大學學報(工程技術版),2015,30(02):1—6.

* [4]曹小華,魏恒,王鑫.永磁同步電機在港口起重機不同工況下的溫度對比[J].起重運輸機械,2017(07):1—5.