工業(yè)風(fēng)機用永磁電機優(yōu)化設(shè)計

劉杰 于文昊

摘? 要：為滿足工業(yè)領(lǐng)域工作空間的通風(fēng)散熱問題，工業(yè)用風(fēng)機得到了較大規(guī)模的推廣應(yīng)用，但是相關(guān)的分析研究還存在優(yōu)化空間。根據(jù)實際應(yīng)用需求，分析工業(yè)風(fēng)機永磁電機的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)技術(shù)要求對電機加以優(yōu)化設(shè)計。通過利用有限元分析法對優(yōu)化設(shè)計的電機進行仿真分析，分析結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計的電機性能優(yōu)良，證明優(yōu)化設(shè)計達到預(yù)期目標。

關(guān)鍵詞：永磁電機;齒槽轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)矩脈動;電機設(shè)計

中圖分類號：TM 351? ? ? ?文獻標識碼：A

相對于傳統(tǒng)采用交流異步電機驅(qū)動的風(fēng)機，采用永磁電機驅(qū)動的風(fēng)機具有體積小、重量輕、風(fēng)量大、噪聲低、節(jié)能高效等優(yōu)點，因此，采用永磁電機驅(qū)動的工業(yè)風(fēng)機潛力巨大，對永磁電機的優(yōu)化設(shè)計可以為后續(xù)的發(fā)展及設(shè)計研究起到積極作用。

本文根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)機電機轉(zhuǎn)矩脈動過大，振動超標等實際問題進行優(yōu)化。首先對永磁電機結(jié)構(gòu)進行分析，設(shè)計可行方案，通過仿真分析優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以達到優(yōu)化設(shè)計目標。

1? 永磁電機數(shù)學(xué)模型

本文設(shè)計過程中，主要關(guān)注電機的輸出能力，結(jié)合使用工況的需求，要求電機的振動、齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動盡可能小。

對于表貼式永磁電機，電磁轉(zhuǎn)矩公式：

電機電磁轉(zhuǎn)矩與電機的定子電流的交軸分量有關(guān)。

電機的力矩平衡方程式：

對于表貼式永磁電機，定子電流中直軸分量為零時，定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。

2? 電機結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

為了實現(xiàn)以上要求，應(yīng)對電機的結(jié)構(gòu)進行分析。首先對電機結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，以提高電機有效材料利用率，減小電機單位體積重量。為了提高出力及過載能力，電機宜采用多極數(shù)設(shè)計并綜合考慮電樞反應(yīng)的影響[1]，選取合適的尺寸參數(shù)。同時為了降低齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動，采用分數(shù)槽加斜槽方案[2]，在充分提高基波繞組系數(shù)的同時有效抑制諧波系數(shù)，可以較為顯著的降低轉(zhuǎn)矩脈動，同時提高電機的制造精度，可以有效降低電機振動。

2.1 電機的主要技術(shù)要求

表1為電機的主要設(shè)計參數(shù)。

2.2 電機主要參數(shù)

根據(jù)電機主要尺寸關(guān)系，電機基本尺寸按公式（3）確定[3]：

綜合考慮電機各項指標，結(jié)合實際風(fēng)機尺寸，確定電機內(nèi)徑353mm，電樞長度為80mm。

3? 電機性能參數(shù)仿真分析及優(yōu)化

3.1 電機的主要參數(shù)計算

基于以上基本設(shè)計，運用有限元法[4]，對電機的電磁性能進行分析計算[5]。表2為電機的主要設(shè)計結(jié)果。

3.2計算結(jié)果優(yōu)化分析

3.2.1空載齒槽轉(zhuǎn)矩

定子斜槽前，空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖1所示[6]。

由仿真分析計算可以看出定子斜槽前轉(zhuǎn)矩脈動較大，轉(zhuǎn)矩值見表3：

分數(shù)槽定子結(jié)構(gòu)斜槽角度范圍1/2槽，此范圍內(nèi)定子斜槽 3°時轉(zhuǎn)矩脈動最優(yōu)，空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖2所示。

從分析結(jié)果可以看出電機定子斜槽設(shè)計有效地消弱了齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。

3.2.2電機滿載分析

定子斜槽前，電機滿載轉(zhuǎn)矩波形如圖3所示。

定子斜槽后，電機滿載轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。

由仿真分析計算，可得斜槽前后轉(zhuǎn)矩脈動值，如表4：

從分析結(jié)果可以看出電機斜槽設(shè)計有效地抑制了滿載轉(zhuǎn)矩脈動的波動。

3.3振動結(jié)果分析

改進前電機振動總級為106dB，從圖5可以看出電機在基頻及高頻段振動值較高。

改進后電機振動總級為100dB，從圖6可以看出電機在基頻及高頻段振動值都有較大改善。

4? 結(jié)? 語

正本文對工業(yè)風(fēng)機用永磁電機進行了優(yōu)化設(shè)計，并利用有限元分析方法對所設(shè)計的電機進行了參數(shù)化分析，優(yōu)化了電機齒槽力矩、轉(zhuǎn)矩脈動、振動等方面參數(shù)。從結(jié)果看本文設(shè)計的永磁電機技術(shù)指標符合要求，設(shè)計優(yōu)化方法可以為同類電機設(shè)計與分析提供一定程度的幫助。

參考文獻：

[1] 徐重鶴.低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機極槽選擇問題的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2017年.

[2] 陳益廣.永磁同步電機分數(shù)槽集中繞組的槽極數(shù)配合及磁動勢[A].第十一屆全國永磁電機學(xué)術(shù)交流會論文集[C].2011年.

[3] 陳世坤. 電機設(shè)計[M].北京： 機械設(shè)計出版社，2002.

[4] 趙博，張洪亮. Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京： 中國水利水電出版社，2010.

[5] 唐任遠. 現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2006.

[6] 陳旭東.齒諧波磁場的分析研究及計算機仿真處理[J].機電工程，2005年05期.