無(wú)軌膠輪車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陳凡東

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113001)

0 引言

隨著鋰電池容量和電池控制技術(shù)的發(fā)展，礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車(chē)逐步代替防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)。永磁同步電動(dòng)機(jī)是礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車(chē)的重要組成部分，其性能直接影響無(wú)軌膠輪車(chē)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)除了要滿足膠輪車(chē)動(dòng)力需求外，還需減輕自身質(zhì)量[1]，減少噪聲和振動(dòng)，提高乘坐的舒適性[2]。

本文利用Ansoft-Maxwel磁場(chǎng)分析軟件，對(duì)不同永磁體寬度、鐵心長(zhǎng)度、氣隙長(zhǎng)度和節(jié)距的同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，在滿足性能的前提下進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最大輸出轉(zhuǎn)矩測(cè)量，結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案符合工程需要，對(duì)后續(xù)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

由于無(wú)軌膠輪車(chē)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)體積限制較大，為保證永磁同步電動(dòng)機(jī)符合表1的設(shè)計(jì)要求，需合理設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

電動(dòng)機(jī)極弧系數(shù)為：

(1)

式中：P為極弧系數(shù)；αI為計(jì)算極弧系數(shù)；Kβ為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；Kdp為繞組系數(shù)；Dil為定子內(nèi)徑；L1為鐵心長(zhǎng)度；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；A1為定子電負(fù)荷；Bδ為氣隙磁密。

按照式(1)和經(jīng)驗(yàn)值對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行主要尺寸估算[3～4]。永磁同步電動(dòng)機(jī)主要尺寸估算值如表2所示。

2 參數(shù)的優(yōu)化

2.1 永磁體寬度優(yōu)化

在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)性能可通過(guò)永磁體寬度來(lái)調(diào)整。永磁體寬度影響齒槽轉(zhuǎn)距、定子槽充填系數(shù)以及電流密度等指標(biāo)。在滿足電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的前提下，定子槽充填系數(shù)一般選擇在60%～80%，電流密度選擇30 A/m2，并選擇較低的齒槽轉(zhuǎn)矩和漏磁系數(shù)，保證膠輪車(chē)乘坐的舒適性[5～6]。

利用Ansoft軟件將永磁體寬度從20 mm到60 mm，以步長(zhǎng)為5 mm取值，其分析結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)本文的選擇條件，由表3可以看出,磁體寬度為50 mm最適合。

表2 主要參數(shù)估算結(jié)果

表3 不同永磁體寬度時(shí)電動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.2 鐵心長(zhǎng)度優(yōu)化

在電動(dòng)機(jī)內(nèi)外徑一定的情況下，電動(dòng)機(jī)體積只與鐵心長(zhǎng)度有關(guān)，鐵心長(zhǎng)短不僅影響電動(dòng)機(jī)尺寸，還影響效率[7]，圖1為鐵心-效率曲線。由圖1可看出，鐵心長(zhǎng)度超過(guò)245 mm時(shí)，電動(dòng)機(jī)及效率急劇下降。該電動(dòng)機(jī)鐵心估算長(zhǎng)為210 mm，從圖1可知，鐵心的長(zhǎng)度可優(yōu)化為180 mm。

圖2為鐵心長(zhǎng)度在180 mm時(shí)的三相反電勢(shì)，由圖2可知，三相反電勢(shì)曲線成正弦波，其反電勢(shì)最大值180 V，為額定電壓的0.8倍，符合電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)定。

圖1 效率與鐵心長(zhǎng)度的變化

圖2 鐵心長(zhǎng)度為180 mm時(shí)三相反電勢(shì)

2.3 氣隙長(zhǎng)度的優(yōu)化

氣隙長(zhǎng)度的大小影響電動(dòng)機(jī)的效率、磁損、制造成本以及諧波量[8-9]。由表4可以看出，隨著氣隙長(zhǎng)度的減小，效率跟鐵損增大，鐵損先減小后增大。根據(jù)電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)，氣隙長(zhǎng)度可選擇1.00 mm或0.95 mm,經(jīng)綜合考慮，本文選擇氣隙長(zhǎng)度為1 mm。

表4 不同氣隙長(zhǎng)度下效率、鐵損和功率值

2.4 繞組節(jié)距優(yōu)化

繞組節(jié)距分為整距和短距，短距一般取5/6或2/3整距。短距可以削弱斜波電動(dòng)勢(shì)，故本電動(dòng)機(jī)繞組節(jié)距選短距。在齒槽一定的情況下，本電動(dòng)機(jī)可選節(jié)距為4和5。節(jié)距4和節(jié)距5的反電勢(shì)諧波見(jiàn)圖3、圖4。從圖中看出，當(dāng)節(jié)距為5時(shí)反電勢(shì)諧波幅值較低，此外，節(jié)距為5時(shí)，繞組的利用率較高[10]，因此節(jié)距選擇5。

圖3 節(jié)距4時(shí)反電勢(shì)諧波

3 優(yōu)化結(jié)果及性能驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化結(jié)果

永磁同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化方案見(jiàn)表5。根據(jù)表5可知，優(yōu)化后的永磁同步電動(dòng)機(jī)方案在額定功率、額定轉(zhuǎn)矩以及效率上有所降低，但其值均滿足表1的主要指標(biāo)。優(yōu)化后的永磁同步電動(dòng)機(jī)總質(zhì)量由優(yōu)化前的74.92 kg降低到65.32 kg，減輕了12.81%。

圖4 節(jié)距5時(shí)反電勢(shì)諧波

表5 方案對(duì)比

3.2 性能驗(yàn)證

利用國(guó)家安全生產(chǎn)撫順礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心的電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行額定功率、額定轉(zhuǎn)矩以及效率的測(cè)試，測(cè)試值見(jiàn)表6，最大輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系見(jiàn)圖5。測(cè)量結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案符合工程的要求。

表6 電機(jī)額定數(shù)據(jù)

圖5 最大輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化

4 結(jié)論

利用Ansoft-Maxwell磁場(chǎng)仿真軟件，完成了小體積高轉(zhuǎn)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，并對(duì)永磁體寬度、鐵心長(zhǎng)度、氣隙長(zhǎng)度和節(jié)距進(jìn)行了較全面的優(yōu)化，將永磁同步電動(dòng)機(jī)的車(chē)身質(zhì)量由優(yōu)化前的74.92 kg降低到65.32 kg，減輕了12.81%，這對(duì)同類(lèi)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。