關于工業風機用永磁電機優化設計

楊正華

摘 要：隨著材料、加工和控制技術的發展，發動機轉速顯著提高，高速風機在許多領域的應用越來越多，尤其是在工業。高速永磁發動機的主要設計內容，是進行電磁、機械以及熱耦合的主要任務。高速永磁發動機的設計方法還不完善，美國還有許多關鍵技術需要解決。該文收集了關鍵技術，驗證高速永磁體的電磁優化。以風機用高速永磁發動機為目標，介紹了發動機的設計過程，總結了相關關鍵技術，重點介紹了永磁發動機的電磁優化設計。

關鍵詞：工業風機;永磁電機;優化;設計

1 研究背景與意義

為了更有效地針對地球環境進行相應的保護措施，因此，低碳經濟越來越成為，各國目前經濟發展的主要趨勢。在中國，隨著目前經濟處于快速發展階段，與環境污染也成為了一個極為嚴重的問題。而高速水磁發動機，具備了效率高的優點，非常符合目前經濟發展以及節能減排的雙重需要。目前，在許多西方發達國家中，高速發動機技術已經相對成熟，廣泛應用于許多工業領域：廢水處理、天然氣輸送和氣流制冷系統、鼓風機和高速壓縮機，必須由高速永磁電機機控制。在高精度領域，使用高速電機軸可有效提高機械的精度和產量;近年來，在關于的新能源供應系統，已經逐漸成為目前能源行業發展的一個重要方向，同時也為新能源方向的使用提供了一個新的方向，因為它具有損耗小、成本低、可靠性高的特點。

齒槽轉矩問題，是永磁電機所特有的幾個問題之一。如果永磁發動機的扭矩不能實現有效制動，則發動機輸出扭矩會出現大幅波動，從而影響到發動機的正常運行，特別是在低負荷和低轉速的情況下。因此，需要削弱風扇外部轉子的穩定磁電機。首先，在選擇定子和轉子結構時，比較了高速永磁發動機、適用于閥桿套筒的各種發動機參數之間的性能差異以及高速發動機的纏繞問題。在保證符合實際加工要求的基礎上，盡可能提高發動機輸出，減少發動機損耗，降低溫升，然后優化轉子設計。本文主要研究轉子角度和磁模式。最后，給出了使用磁槽楔進一步改善發動機性能的示意圖，并分析了磁槽楔效應的相對磁導率對發動機性能的影響。

2 永磁同步電動機齒槽轉矩的分析

2.1 齒槽轉矩產生原理

如果永磁體的同步發動機在其進行繞組部分，并未進行激活，則由于永磁體以及儀表齒之間，具有一定的相互作用，從而產生切向分量，永磁體和鐵芯之間相互作用產生的扭矩，應稱為齒槽轉矩。如果在這一永磁電機中，定子和轉子之間存在一定的相對運動，則永磁體與磁極儀器齒之間，存在磁導率基本處于不變的狀態，因此在儀器齒周圍所具備的磁場，也基本不變。在兩個儀器齒組成的小區域范圍內，對準永磁體的兩側，磁導率發生顯著變化，導致磁場中的儲能發生變化，如果發動機未通電，皮帶扣扭矩定義為磁場能量w相對于轉子位置a角度的負導數。可以表示為

2.2 齒槽轉矩的解析分析

為便于后面的相關分析，假設永磁材料的磁導率與空氣磁導率相同，且永磁發動機儀表磁芯的磁導率為無窮大。因此，保留在發動機中的能量是近似恒定的磁鐵和微分磁能的總和。可以表示為

磁場能量w取決于發動機的結構尺寸、穩態磁鐵性能以及定子和轉子之間的相對位置。整個儀器表面上氣孔的磁密度分布可近似表示為：

在永磁分布方面，目前呈現出較為均勻分布情況的永磁電機，其所對應的傅里葉展開式應當為：

該式子中所出現的p為極對數，且αp為這一永磁磁極的對應極弧系數。

2.3不等厚磁極結構與齒槽轉矩關系的分析

經過上述的基本分析，可以看出，只要通過對B進行減小操作，齒輪的扭矩就可能同時會出現減小情況。通過改變永磁極的形狀，使得板狀永磁體集中在原來的內徑和外徑轉變到現有的內徑和外徑上，即永磁體具有不等的厚度，以減少B并且達到將齒槽轉矩進行減少的目的。

2.4極弧系數與齒槽轉矩關系的分析

半導體是指方弧寬度與極距之比。上述公式表明，B（0）對共軛扭矩有主要影響，但并非所有B（0）傅里葉退化系數都對齒槽轉矩有影響。只有NZ/2p傅里葉退化系數對輪齒的扭矩有影響，選擇合理的半圓弧系數來降低輪齒扭矩處的傅里葉退化系數可以有效地降低輪齒的扭矩。

3 風機用永磁同步電動機優化分析

3.1 不等厚永磁體的優化

如果在定轉子之間存在著均勻的氣隙，可能會造成較多氣隙的產生，而由于多次諧波的出現，就會造成更多的齒槽轉矩產生。如果能夠選用不等厚磁體，就會對應獲得不均勻的氣隙，具有較少的存在于磁極中心的對應氣隙，而氣隙在處于磁尖處時較大。從而在永磁體情況下，在氣隙磁體的分布密度方面，能夠更想正弦波情況。從而能夠使得諧波對齒槽轉矩的影響大大減少。

電機的齒槽轉矩所具有的幅值，并不是在偏心距發生增大時，而單調減小。但當其處于一定范圍內時，會出現一個最優偏心距，這一偏心距能夠得到最小的齒槽轉矩幅值。當偏心距h =17 mm時，齒槽轉矩幅值為0.171 Nm。

3.2 極弧系數的優化

根據上述分析的結果可以得知，如果選擇不同的半曲線系數，穩態磁發動機扭矩的振幅也應不同。因此，可以使用軟件對磁鋼半弧系數進行優化和分析，以降低其扭矩，從而得出最佳偏心率，確定極弧系數變量（E），在保持其他相關參數不變的基礎上，并對其進行優化以獲得不同極弧系數的齒輪情況。

但是半圓弧系數也不是越高越好。在一定程度上，存在一個最佳的半圓弧系數來最小化齒輪的扭矩振幅。如果極弧系數e=0.90，則齒輪扭矩的對應振幅應當為0.838 nm。

4 工業風機用永磁同步電動機仿真結果及分析

基于已建立的二維有限元模型發動機，利用掃描分析結果，選擇優化偏心率和明信片系數進行仿真，得到共軛扭矩曲線，并對優化前的齒輪扭矩進行比較。優化前的最大扭矩為241.2 MNM，優化后齒輪調整的最大扭矩為19.97 Mn（m），最大扭矩減少221.23 Mn=m。優化后，峰值扭矩按標稱扭矩1.09%計算。通過優化參數模擬獲得發動機輸出扭矩。

5 結語

為了將工業用永磁電機的相關構造設計，進行合理優化，應根據永磁電機的真實轉矩機理，推導出對應永磁發動機齒輪的轉矩表達式。再利用此進行分析，選擇合適的偏心距和極弧系數可以有效地削弱永磁發動機的變形轉矩。以某同步發動機24槽8極風扇外轉子永磁體為例，建立了基于Maxwell 2D的永磁體的對應有限元模型，仿真分析了磁鋼的偏心率和弧后系數，得到了最佳偏心率和弧后系數。因此，本文為工業用永磁電機，在相關優化設計方面，提供了較為有效的參考依據。

參考文獻：

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