一種確定永磁同步電動機最佳極弧系數(shù)組合的方法

譚耿銳，方超，黃信，杜曉彬

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)

一種確定永磁同步電動機最佳極弧系數(shù)組合的方法

譚耿銳，方超，黃信，杜曉彬

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)

為削弱永磁同步電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩，提出一種不同極弧系數(shù)組合的方法。根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式定性分析了極弧系數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，以48槽8極表貼式調(diào)速永磁同步電動機為例，建立Maxwell 2D模型，給出優(yōu)化極弧系數(shù)和調(diào)整極弧系數(shù)組合的方法，利用有限元法對不等極弧系數(shù)組合進(jìn)行建模分析。結(jié)果表明，合適的選擇極弧系數(shù)進(jìn)行組合可明顯地削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。為調(diào)速永磁同步電動機的優(yōu)化提供一定的參考。

極弧系數(shù)；有限元法；齒槽轉(zhuǎn)矩

0 引言

調(diào)速永磁同步電動機結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小等優(yōu)點，已在各領(lǐng)域得到了廣泛的使用，現(xiàn)在國內(nèi)外集中對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究來進(jìn)行調(diào)速永磁同步電動機的設(shè)計與優(yōu)化[1]。

在永磁電機中定子齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的齒槽力矩產(chǎn)生諧波，降低電機性能[2]。在大功率電動機受到其影響更大。所以，研究優(yōu)化齒槽轉(zhuǎn)矩在大功率性能高的永磁同步電動機設(shè)計中顯得格外重要。其中，齒頂開槽和輔助槽偏移進(jìn)行的研究，找出了最佳輔助槽尺寸和偏移角度進(jìn)行優(yōu)化[3]。基于磁極偏移削弱電動機齒槽轉(zhuǎn)矩的探討，研究了磁極角度最佳偏移的一種計算方法[4]。這些研究方法理論上能很好地使齒槽轉(zhuǎn)矩減弱，但其實際應(yīng)用較復(fù)雜，所以在實際工程中較少采用。

本文通過使用有限元軟件ANSYS 2D模塊，進(jìn)行參數(shù)變量的方法確定削弱齒槽轉(zhuǎn)矩永磁體最佳不相同極弧系數(shù)的組合。采用一款電動汽車用調(diào)速永磁同步電動機的主要參數(shù)，采用基于有限元計算的參數(shù)變量的方法進(jìn)行分析，利用所得最佳不同極弧系數(shù)組合和其他電動機參數(shù)，經(jīng)測試并檢測其各項性能，均達(dá)到要求。

1 電機主要參數(shù)與模型

本文研究的是一臺調(diào)速永磁同步電動機進(jìn)行。表1所示的是該調(diào)速永磁同步電動機主要參數(shù)。圖1為該調(diào)速永磁同步電動機的模型。

表1 電動機主要參數(shù)

圖1 調(diào)速永磁同步電動機模型

在Maxwell 2D建立模型并進(jìn)行有限元計算，定子和轉(zhuǎn)子均選用DW470-50冷軋硅鋼片材料。

2 原理分析

假設(shè)該調(diào)速永磁同步電動機電樞鐵心的磁導(dǎo)率為無窮大，則轉(zhuǎn)子永磁體的場能與氣隙的場能的總量等于此永磁同步電動機所存的總能量[5]?？杀硎?/p>

(1)

式中，μ0—真空磁導(dǎo)率系數(shù)；Br2(θ)—永磁體的剩磁；g(θ,α)—空氣隙有效長度排布；hm—磁極厚度。

圖2 Br(θ)分布圖

(2)

(3)

齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為磁場能W對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)

(4)

將式(1)、式(2)、式(3)代入上式中，可得極弧系數(shù)優(yōu)化組合后的齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

(5)

式中，n—使nz/p為整數(shù)的整數(shù)。

從式(5)可以看出，Br2(θ)對齒槽轉(zhuǎn)矩有較大的影響，但只有nz/p次傅里葉分解系數(shù)才會影響齒槽轉(zhuǎn)矩。可通過不等極弧系數(shù)的組合來減小nz/p次傅里葉系數(shù)來減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

3 確定最佳極弧系數(shù)組合

使用有限元軟件2D模塊的參數(shù)變量進(jìn)行分析的方法，設(shè)極弧系數(shù)為變量，計算分析找出一個最佳的不等極弧系數(shù)的組合可以一定限度地優(yōu)化齒槽轉(zhuǎn)矩[5]。

組合不同極弧系數(shù)的優(yōu)化方法：在如圖3中所示的調(diào)速永磁同步電動機1/4截面模型結(jié)構(gòu)圖中調(diào)整極弧系數(shù)αp1和αp2大小。原始磁極的極弧系數(shù)αp1和αp2大小均為0.84。

圖3 磁極不等極弧系數(shù)組合

設(shè)置ANSYS軟件中的Optimetrics選項進(jìn)行變量掃描，設(shè)置極弧系數(shù)的大小αp1和αp2為變量?？紤]αp1等于αp2的組合，取極弧系數(shù)變量值如表2所示。

表2 極弧系數(shù)變量值

在ANSYS中設(shè)計模型并對電機轉(zhuǎn)子磁極的極弧系數(shù)組合的參數(shù)進(jìn)行變量的仿真。有限元的計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩掃描曲線圖

圖4為各極弧系數(shù)組合的齒槽轉(zhuǎn)矩圖，從中知，最理想的是曲線7，極弧系數(shù)為(0.68,0.84)的組合。圖5為選擇極弧系數(shù)最優(yōu)組合后與優(yōu)化前的齒槽轉(zhuǎn)矩。在圖5中可以得出時，進(jìn)行最優(yōu)組合后齒槽轉(zhuǎn)矩僅為1.09N·m，為未優(yōu)化時的14.5%，齒槽轉(zhuǎn)矩明顯減弱了。

圖5 優(yōu)化前后齒槽轉(zhuǎn)矩對比

由上述研究可知，使用有限元軟件ANSYS設(shè)計模型并進(jìn)行參數(shù)變量的方法，可以得到使調(diào)速永磁同步電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱最大化的最佳不等極弧系數(shù)大小的組合。用此方法得到的使齒槽力矩為最小的極弧系數(shù)的組合，即為確定該調(diào)速永磁同步電動機磁極最佳的不等極弧系數(shù)組合。

用所得最佳組合不同大小的極弧系數(shù)，進(jìn)行負(fù)載分析。在Maxwell2D中進(jìn)行有限元仿真，施加額定電壓345V，將優(yōu)化組合極弧系數(shù)之后對電機的輸出轉(zhuǎn)矩與優(yōu)化組合前的進(jìn)行比較分析，如圖6所示。

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由圖6輸出轉(zhuǎn)矩曲線可求出，優(yōu)化組合不等極弧系數(shù)前電機的平均輸出轉(zhuǎn)矩為713.2N·m，優(yōu)化組合不得不等極弧系數(shù)后為724.7N·m，提高了11.5N·m，優(yōu)化組合不等極弧系數(shù)后的平均輸出轉(zhuǎn)矩提高了1.6%。

采用上述方法所得的電機參數(shù)進(jìn)行分析，并對電動機的性能進(jìn)行測試，得出電動機的測試數(shù)據(jù)，將其與有限元ANSYS仿真的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表3所示。

表3 優(yōu)化前后的測試數(shù)據(jù)對比

分析表3可得，采用最佳組合后的測試值與原始ANSYS有限元計算的相應(yīng)仿真值誤差均在4.5%內(nèi)，該方法在此款48槽8極電機的應(yīng)用符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

基于有限元計算研究一種確定調(diào)速永磁同步電機最佳組合不等極弧系數(shù)的方法，進(jìn)行削弱齒槽力矩。對一臺電動汽車用48槽8極調(diào)速永磁同步電動機試驗，進(jìn)行參數(shù)變量確定最佳不同極弧系數(shù)的組合。在此優(yōu)化下，該永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩值大小降為1.09N·m。結(jié)果證明，本文的方法在具有實際意義，為調(diào)速永磁同步電動機的優(yōu)化提供一定的參考。

[1] 李正. 永磁電機的設(shè)計[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2016: 7-8.

[2] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1997: 143-144.

[3] 賴文海,黃開勝. 基于輔助槽偏移的單相永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩削弱[J]. 微特電機, 2015,09: 11-14.

[4] 楊玉波,王秀. 磁極偏移削弱永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2006,10: 22-25+61.

[5] 王秀和. 永磁電機[M].北京：中國電力出版社, 2010: 93-95.

A Method for Determining Optimum Pole Arc Coefficient Combination of Permanent Magnet Synchronous Motor

TanGengrui,FangChao,HuangXin,andDuXiaobin

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In order to reduce cogging torque of permanent magnet synchronous motor, this paper puts forward a method of combining different pole arc coefficient. According to the cogging torque expression, the influence of pole arc coefficient on cogging torque is qualitatively analyzed. Taking a surface-mounting adjustable-speed permanent magnet synchronous motor with 48 slots and 8 poles as an example, a Maxwell 2D model is established, and the method of combining optimal pole arc coefficient and adjustable pole arc coefficient is given. The different pole arc coefficient combinations are modeled and analyzed by finite-element method. The result shows that appropriate pole arc coefficient combination can clearly weaken the cogging torque. It can provide some reference for optimization of adjustable-speed permanent magnet synchronous motor.

Pole arc coefficient；finite-element method；cogging torque

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.04

TM351

A

1008-7281(2017)01-0014-004

譚耿銳 男 1991年生；碩士研究生，研究方向為特種電機及其控制.

2016-09-12