基于永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

高志遠(yuǎn)，李家學(xué)，張惟

（廣東理工學(xué)院工業(yè)自動化系，廣東肇慶，526100）

0 引言

由于在傳統(tǒng)起重、采礦和冶金行業(yè)中，所使用的大部分的電機(jī)采用的是異步電動機(jī)，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(jī)械減速機(jī)達(dá)到正常運(yùn)作的目的，但是異步電機(jī)和減速器構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)動慣量大、效率低、噪聲大、潤滑油滲漏污染、維護(hù)頻繁等缺點(diǎn)，這些都不利于驅(qū)動系統(tǒng)的控制，不能較好的體現(xiàn)其優(yōu)勢，更加無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)和制造業(yè)的發(fā)展要求[2]。

隨著永磁材料性能的提升和完善，永磁電動機(jī)的性能不斷提升，結(jié)合我國的稀土資源的優(yōu)勢，大力發(fā)展永磁電機(jī)的發(fā)展，提高電機(jī)的性能，推廣永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍，對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)[3]。

1 永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

永磁同步電動機(jī)具備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、可以實(shí)現(xiàn)直驅(qū)控制等優(yōu)點(diǎn)，將永磁電機(jī)應(yīng)用到起重行業(yè)實(shí)現(xiàn)整個起重系統(tǒng)低速、大扭矩、低噪聲的特性是一個相當(dāng)有意義的項(xiàng)目[4]。

隨著永磁電動機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)者將起重機(jī)的永磁電機(jī)、減速箱、起重卷筒三個重要零部件組成一體，將永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子看成起重機(jī)的卷筒，其定子看作轉(zhuǎn)動軸，并直接固定在機(jī)架上，這樣有效的簡化了起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率和使用壽命。起重機(jī)采用永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)起重機(jī)用永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，對起重機(jī)用永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、參數(shù)選取原則等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一臺4極18槽永磁同步電機(jī)，該電機(jī)的主要性能指標(biāo)參數(shù)如下：額定功率為7.5KW，額定轉(zhuǎn)矩為580Nm，額定轉(zhuǎn)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該起重機(jī)在不同負(fù)載下使用的頻率不同，據(jù)統(tǒng)計(jì)永磁同步電機(jī)工作負(fù)載大于滿負(fù)荷80%的時間處于全部工作時間的50%以下，因此該電機(jī)應(yīng)該考慮設(shè)計(jì)為輕載狀態(tài)，以此保證電機(jī)擁有較高的使用壽命和良好的控制性能。

■2.1 轉(zhuǎn)子磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該驅(qū)動系統(tǒng)處于輕負(fù)載下運(yùn)行，電機(jī)的調(diào)速范圍較小，我們初選表面凸出式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，徑向布置磁路，這樣使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量小、成本低廉、磁路面積較大等優(yōu)點(diǎn)。

■2.2 永磁體材料的選擇

隨著永磁材料的蓬勃發(fā)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(jī)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(jī)在工作過程中能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)的氣隙磁場，并且方便制造加工和安裝，以達(dá)到設(shè)計(jì)電機(jī)的技術(shù)要求和性能參數(shù)；第二，電機(jī)在低速大扭矩運(yùn)行時，其電樞產(chǎn)生的電流較大，對材料的磁力能力破壞嚴(yán)重，因此選用的材料需矯頑力較大，抗去磁能力強(qiáng)；第三，永磁材料應(yīng)具有持久、穩(wěn)定的磁力，尤其是在嚴(yán)酷的環(huán)境下，不能發(fā)生衰減或消失，這樣才能保證電機(jī)的長期可靠運(yùn)行。

■2.3 電樞繞組的設(shè)計(jì)

起重機(jī)采用永磁同步電機(jī)作驅(qū)動機(jī)構(gòu)時，由于電機(jī)工作過程中銅耗較大，一般設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量提高永磁同步電機(jī)的每一極氣隙磁通，適當(dāng)?shù)臏p小匝數(shù)來降低電機(jī)的銅耗。永磁同步電機(jī)的電樞繞組的設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?shù)槽繞組。由于起重機(jī)用永磁同步電機(jī)極數(shù)較多，如果選用整數(shù)槽繞組時，則電機(jī)的定子槽數(shù)較多，就會使得齒部寬度降低，導(dǎo)致齒部磁密的飽和度不高，不利于每一極氣隙磁通的優(yōu)化，甚至影響電機(jī)的性能。同時，分?jǐn)?shù)槽繞組的跨距較小，線圈端部長度減小，電機(jī)的銅耗就會降低。

■2.4 極弧系數(shù)的選擇

極弧系數(shù)是永磁同步電機(jī)的一個重要參數(shù)，該參數(shù)的直接影響永磁電機(jī)的隙磁場諧波畸變率的大小，進(jìn)而影響電機(jī)的整體性能。該參數(shù)一般在0.60～0.95 之間進(jìn)行取值，得到永磁同步電機(jī)空載情況下的不同極弧系數(shù)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(shù)氣隙磁場諧波畸變率

從圖2中分析得出，極弧系數(shù)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(shù)值是先減小后增大；在極弧系數(shù)為 0.7 時，氣隙磁場諧波畸變率最小，其數(shù)值為15%，極弧系數(shù)為 0.95時，氣隙磁場諧波畸變率最大，其數(shù)值為35%。

3 永磁同步電機(jī)的仿真分析

通過對永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)，建立永磁同步電機(jī)的樣機(jī)模型，并采用試驗(yàn)的方式進(jìn)行對比分析。在試驗(yàn)過程中給永磁同步電機(jī)380V的交流電壓，測量其電壓、電流、轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、輸入功率、輸出功率和效率等參數(shù)，并與Maxwell的仿真的計(jì)算值作比較，得到結(jié)果如表1所示。

表1 Maxwell仿真的結(jié)果與樣機(jī)的結(jié)果對比

從上述表1的結(jié)果可以看出，通過Maxwell的理論值與計(jì)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(nèi)，該電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小、電氣控制良好，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的合理性。

4 總結(jié)

通過對起重機(jī)的永磁同步電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析研究，分析了轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、極弧系數(shù)以及材料選取等性能參數(shù)的設(shè)計(jì)，將其設(shè)計(jì)得到的結(jié)果與樣機(jī)進(jìn)行比較，所設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)符合樣機(jī)的性能指標(biāo)。同時通過對永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)更加的緊湊、體積小、重量輕、噪聲低、節(jié)能節(jié)材、安全可靠，改變了傳統(tǒng)起重機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)，有效地減輕了起重設(shè)備的體積和質(zhì)量，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率。

* [1]柳陽.基于永磁調(diào)速技術(shù)的起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析[D].太原科技大學(xué),2017.

* [2]程力,何偉,施文麗,常娜.橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模及仿真分析[J].機(jī)械制造,2016,54(06):5—8.

* [3]解洪超,于海生.永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2015,30(02):1—6.

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