高速外轉子無槽電機設計與仿真

(廣東電網公司河源供電局，廣東河源 517000)

0 引言

目前商用轉杯紡紗機大多采用的是中心軸驅動，這種結構的特點是原料的輸入和紡線的輸出在同一側，缺點是容易引起跳線，而且杯腔內會沉積越來越多的纖維，使紡紗的生產效率大打折扣。國外一些研究機構目前提出了一種新型的轉杯結構，其結構特點在于將原料的輸入和紡線的輸出放在了不同側，從而解決了跳線的問題，同時也避免了纖維的沉積問題，與此同時，轉杯驅動裝置的發展趨勢是多種應用技術集成的高科技機電一體化方向，這其中包括電力電子變換技術、高速電機及其控制技術、磁懸浮軸承技術等[1]，在高速電機方面，除了對轉速的要求更高之外，為了配合轉杯和間接軸承(空氣軸承、磁懸浮軸承)的結構，還要求電機具有外轉子的結構特點，無槽電機的拓撲結構對電機性能的影響可以用來幫助降低整個驅動裝置的損耗和噪聲[2、3]。

因此，高速、外轉子、無齒槽永磁無刷直流電機的設計與研究是新型紡紗裝置研究中的重要部分，且對永磁電機設計技術水平的提高和應用具有重要意義。

1 高速外轉子無槽永磁電機設計

本文根據電機的設計要求，對一臺額定轉速20000rpm、額定功率22W的電機進行設計，結合電機的電磁和機械性能，最終確定設計方案。

1.1 主要尺寸的確定

主要尺寸是指定子外徑Da和電樞鐵心的計算長度lef，電機應用的空間、電磁性能和機械性能都會影響電機的主要尺寸，而主要尺寸又會影響電機的材料費用、質量和外形輪廓等。合理的尺寸設計會使得設計的電機在性能和經濟之間達到最佳的平衡，所以主要尺寸的確定是非常重要的[4]。在給定轉速與功率時直流無刷電機的主要尺寸與電磁負荷間具有如下的關系[5]

(1)

式中,Da—定子外徑；lef—電樞鐵心的計算長度；P′—計算功率；n—額定轉速；αp′—計算極弧系數；Bδ—磁負荷；As—電負荷。

再結合電機的長徑比λ、電樞長度與電樞鐵心計算長度的關系等式，可得

(2)

1.2 電磁負荷的確定

對式(2)中各參數進行分析可知，P′和n在電機設計要求明確后即為定值，而參數αp′和λ變化并不大，故電磁負荷As,Bδ也就決定了電機的主要尺寸，電負荷As可以通過下式表達[6]

(3)

式中，m—相數；N—導體數；2a—并聯支路數；Ia—電樞電流(A)。

氣隙磁通密度最大值Bδ則為

(4)

式中，Φ—每極主磁通；τ—極距；αp—極弧系數。

在確定Bδ和As的值時，過大的Bδ會導致電樞磁路所需的勵磁安匝數增加，相應的增加了銅的用量，還會使鐵損增大，降低電機效率，提高電機溫升。因為電負荷與電機的電抗電動勢為正比關系，所以常用較大的Bδ值和較小的As值，除了可以降低電樞的用銅量，還可以改善電機的換向性能，但針對高速電機而言，Bδ較大時又會導致鐵損較大。在本文設計的電機中，還需要考慮非導磁體的永磁體保護套的存在導致電機等效氣隙較大的因素，故無法僅從理論層面確定其數值，需要結合經驗與數據比對，并通過多次迭代計算來達到Bδ和As的最佳配合。

1.3 氣隙長度的確定

當氣隙長度較大時，電樞反應磁密的諧波、轉子的渦流損耗和轉矩波動等都會減少，從而降低電機的噪聲和振動，但也使電機的經濟成本升高[7]，通過計算，本電機設計方案中氣隙長度為0.3mm。

1.4 永磁體充磁方式的選擇

當電機其他參數保持不變，充磁方式不同時，得到的同一路徑下的氣隙磁密分布也是不同的，利用Maxwell2D進行分析，可以得到如圖1所示結果。

圖1 徑向充磁與平行充磁時的氣隙磁密曲線

兩種波形進行傅里葉諧波計算后，可以得到如圖2、圖3所示結果。

圖2 徑向充磁時氣隙磁密的傅里葉諧波分析

圖3 平行充磁時氣隙磁密的傅里葉諧波分析

經過以上的分析與對比，可以得到如下結論：①平行充磁產生的高次諧波相對較多；②平行充磁產生的磁通密度相對較小；③徑向充磁產生的氣隙磁密的波形更接近于方波，考慮到外轉子無齒槽永磁無刷直流電機的特性，本設計方案選擇的充磁方式為徑向充磁。

1.5 轉子部分的設計

高速電機的轉子在電機運行時受到的離心力較大，所以在設計轉子時需要考慮轉子的機械強度，影響轉子機械強度的因素包括轉子的直徑與轉子的材料，轉子所受到的最大應力可以表示為

(5)

式中,ρ—材料密度；D—轉子直徑；υ—材料的poisson系數。

本文的轉子軛結構為實心，并選用Steel-1010作為轉子軛的材料。

在轉子的尺寸上，轉子直徑較小時，其受到的拉應力和離心力都較小，但同時需要考慮要有足夠的空間放置永磁體和永磁體保護套，并保證轉子具有較高的臨界轉速，轉子又不能太小[8]。

目前用來保護永磁體的方法有使用永磁體保護套和使用極間填充物等[9、10]，如圖4所示。由于本文永磁體的結構為環形，即磁極間無空隙，所以采用厚度為0.15mm的鈦合金材料，并通過過盈配合的方式構成永磁體保護套，保證永磁體在電機高速運轉時不受破壞，其結構如圖5所示。

圖4 永磁體的保護方法

圖5 本文電機的永磁體護套保護

1.6 定子部分的設計

定子部分的設計包括定子材料、定子尺寸、槽數等，定子鐵心材料結合經濟指標和性能指標，選取了牌號為50w470的低損耗冷軋硅鋼片，定子尺寸需要結合前述轉子、永磁體、氣隙等尺寸來確定，還要依據繞組導線線徑與導體數，留有足夠的裕度放置繞組電樞。

由于本文設計的電機為無槽，故所說的槽數為虛槽，采用非導磁材料幫助繞線后固定在定子鐵心上。電樞槽數對電機的性能有較大的影響，每極下的電樞槽數Z/2P增加時，電機的換向性能隨之改善，因磁通脈振導致的噪聲和損耗也隨之降低，但Z/2P太大，會導致槽利用率降低和經濟成本的增加，本文設計的電機槽數為9。

1.7 電機設計方案的確定

通過以上所述的設計過程，再結合電磁負荷比等優化方法，多次迭代，最終確定了電機設計方案，其主要參數如表1所示。

表1 電機主要參數表

2 基于Ansys的外轉子無槽高速電機有限元分析

2.1 電機的靜態仿真

靜態場仿真可以得到電機的磁場分布參數，以此來判斷其磁路設計是否正確。其結果分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 磁力線分布圖

圖7 磁密云圖

圖8 氣隙磁密曲線

通過圖6可以知道，該電機磁力線的路徑較為規則，很好控制了漏磁。通過圖7和圖8的綜合分析可以得知該電機轉子的最大磁密與定子軛部的最大磁密均不存在過飽和現象，氣隙中的磁密曲線也達到預期，磁場參數滿足設計要求。

2.2 電機的瞬態仿真

對該電機進行瞬態仿真時，需要將工況分別設置為空載和負載兩種。工況為空載時，將負載轉矩設置為0，通過計算即可得到轉矩、轉速、繞組感應電動勢、電流等的曲線，分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

圖9 空載瞬態時的轉矩曲線

圖10 空載瞬態時的轉速曲線

圖11 空載瞬態時的反電動勢曲線

圖12 空載瞬態時的電流曲線

當工況為負載時，將負載轉矩設置為電機的額定轉矩，并設置電機的控制電路即可進行仿真計算，其結果分別如圖13、圖14、圖15、圖16所示。

圖13 額定負載瞬態時的轉速曲線

圖14 額定負載瞬態時的A相反電動勢曲線

圖15 額定負載瞬態時的電流曲線

圖16 額定負載瞬態時的轉矩曲線

通過對仿真結果的分析和對比，可以驗證所提出的的電機設計方案能夠滿足設計要求，并繪制了樣機制作的工程圖，如圖17所示。

圖17 電機部件示意圖

3 結語

面對新型轉杯紡紗驅動系統的要求，永磁無刷直流電機的設計和研究也變得多樣化，本文針對實際運行工況，提出了一款高速、外轉子、無齒槽永磁無刷直流電機的設計方法，并給出設計方案，又通過建模仿真，對所設計電機進行電磁分析，驗證了設計方法與方案的正確性和可行性，按照設計方案制作樣機進行后續研究，并為此款電機后期性能上的提高與實際應用提供依據。