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【导读】永磁同步电机具有结构简单、效率高和无刷等优点，其应用广泛。传统永磁同步电机的气隙磁场高次谐波含量较高，影响了电机的运行性能。本文提出了一种新转子结构，其转子槽间距按照正弦规律变化。利用ANSYS软件对新转子和传统转子永磁同步电机的磁场和电磁转矩进行了有限元分析。计算结果表明，新转子永磁同步电机的气隙磁密的基波含量高，高次谐波含量少，永磁体利用率高，过载能力强。因此，新转子永磁同步电机的运行性能得到了极大地改善。 引 言 永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显等优点。永磁同步电机用永磁体提供磁场，取消了电励磁装置，不存在电励磁损耗，在同步运行时，转子没有铜耗和铁耗，永磁同步电机不需要从电网中吸收滞后的励磁电流，在20%~120%额定负载范围内均可以保持较高的效率和功率因数。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机转子上不需要电励磁装置，极大的简化了转子结构，实现了无刷化，提高了电动机运行时的稳定性。稀土永磁材料具有很高的磁能积，永磁电机的体积和尺寸可以大为减小，成为高密度电机。由于以上优点而使永磁同步电机广泛应用于航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。 永磁同步电机的转子磁路结构一般可分为表面式、内置式和爪极式三种[3]，为了使得永磁同步电机具有异步启动的能力，电机转子采用内置式，需要在转子表面安放启动绕组，这种结构的转子永磁体位于转子内部，位于永磁体外侧的转子铁心表面可以放置铸铝笼或铜条笼，起动阻尼或(和)起动作用，电机的动态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。 传统的永磁同步电机的转子槽在转子表面的是均匀分布的，由于定、转子齿、槽对磁路的影响，气隙磁密分布呈现出了很强波浪性，气隙磁密波的包络线是一个近似矩形状，其中除了基波分量外，还含有大量的高次谐波。高谐波含量过多将对电机的性能产生不利的影响。本文将对永磁同步电机的转子结构进行优化设计，改变电机气隙磁密分布，达到改善电机性能的目的。 新转子永磁同步电机的设计 对永磁同步电动机的一般要求是:转矩和转速平稳，动态响应快速准确，单位电流转矩大等。对于应用于高效场合的永磁同步电机还需要其效率高、功率因数高、具有较高启动品质因数等特点。 A、定子设计 异步启动的永磁同步电机的主要尺寸与普通电机的主要尺寸一样，根据预估的电磁负 荷，可以计算出电机的主要尺寸。永磁同步电机为减小过大的杂散损耗，降低电动机的震动与噪声，便于电动机的装配，其气隙长度一般要比同规格的感应电机的气隙大。 永磁同步电动机的定子槽数选择原则与感应电动机相同。鉴于永磁同步电动机转子因有永磁体槽而不变斜槽，一般将电动机的定子叠片沿轴向扭斜一定距离以消弱谐波，以减小电动机杂散损耗与附加转矩。 B、转子与永磁体设计 理论上异步起动永磁同步电机可采用任一感应电动机的转子槽型，但当选用的内置式转子磁路结构且转子槽型尺寸较小时，通常采用平底槽，当转子的槽型尺寸足够大时，也可以采用圆底槽，以保障隔磁磁桥的长度，避免过大的漏磁系数。永磁体的尺寸包括永磁体的轴向长度L，磁化方向长度h和宽度b。永磁体的轴向长度一般取得与电动机轴向长度相等或稍小。磁化方向长度的确定应使电机的直轴电抗合理，其不能过薄，设计h及b应使永磁体工作于最佳工作点，当电机的磁负荷较高时，应选择能安装更多永磁体的转子磁路结构。 传统电机的转子槽在转子表面的分布是均匀的，分析传统电机转子气隙的分布特点可知，如图1所示，气隙磁密分布的波浪性之所以非常高是由于定、转子齿、槽对磁路的影响造成的[7]。气隙磁密的波峰出现在齿中心线处，波谷出现在槽中心线处。由于定子槽中放置定子绕组，对定子槽进行修改将对电机的性能产生较大的影响。
而转子槽中放置阻尼绕组，对其进行改进对电机的稳态性能影响不大，因此对转子槽进行修改从而达到抑制气隙谐波分量与提高气隙基波分量的目的。转子一个磁极内的总磁通量由永磁体决定的，气隙磁密波形按照如图1所示的近似矩形状分布，其基波含量较低，如果气隙磁密波按照正弦规律分布，由于总磁通量不变，其基波含量将有明显的提高，将大大提高永磁电机的性能。 将电机转子的每一极下槽按照一定的规律进行安放，使得不同的转子齿的磁阻不同，转子一极下中心处的齿磁阻最小，极边缘的齿磁阻最大，齿磁阻的变化规律满足正弦变化的趋势，故称该转子为正弦转子(如图2所示)。 正弦转子永磁同步电机每极下的转子槽之间的角度差满足一下规律。设电机的极对数为p，则一个转子磁极铁心中转子线槽所占空间机械角度为:
由于在一个转子磁极铁心内，转子线槽关于转子直轴轴线d对称，在该转子磁极铁心内，以该交轴线q为起点，对转子线槽进行编号，依次为1、2、3、…i、…n，则其中第i个转子线槽所占空间机械角度的比例因子为: 则第i个转子线槽与该交轴线q所形成的夹角为: 同样可以计算出该磁极内所有转子槽的分布。 由于电机转子结构上的对称性，确定了一个转子磁极铁心内的转子槽的分布即可确定整个转子上转子槽的分布。 有限元分析 利用有限元分析软件ANSYS对新转子和传统转子的永磁同步电机进行有限元分析，计算转子气隙磁通密度及电机的转矩值[6]。比较不同转子对电机性能的影响。为了方便不同结构电机的性能比较，本文所分析的新转子和传统转子永磁同步电机的额定功率相同都为15KW，定子结构相同，只是转子结构不同[8]。样机的具体参数如表1～表3所示。 A、气隙磁密波谐波分析 利用ANSYS软件，先建立不同转子结构的永磁同步电机模型，然后进行有限元分析，得到电机空载时的磁场分布，如图3和图4.（补充图）。电机的气隙磁密波形，如图5和图6所示。 从图5和图6可以看出，新转子结构永磁同步电机的气隙磁密波形的正弦度明显提高，磁极边缘处磁密下降很多，而且磁极中心处磁密也有了一定的提高。利用MATLAB软件对气隙磁密波进行傅里叶分解，计算出新转子和传统转子结构永磁同步电机的气隙磁密的谐波含量，如图7和图8所示。 从图7和图8可以看出，新转子永磁同步电机气隙磁密的基波含量有了明显提高，增加了约7%；高次谐波含量显著降低，其中5次、7次、11次、13次谐波基本被消除,3次、9次、15次谐波可以通过定子绕组抑制掉。因此，采用新转子结构有助于减少永磁同步电机的损耗和谐波制动转矩，提高电机的运行性能。 A、电磁转矩分析 为了比较新转子和传统转子永磁同步电机的电磁转矩特性，利用ANSYS可以计算出永磁同步电机在不同功角时的电磁转矩。传图9是统转子和新转子在不同的功角下的电磁转矩特性。 由图9可以看出，新转子永磁同步电机的电磁转矩在整个电机运行的功角区间内都有了明显的增加，特别是最大电磁转矩比传统电机的最大值增加较多。可见，新转子永磁同步电机的永磁体利用率比传统电机高。当新转子结构和传统转子电机的永磁体用量相同时，新转子结构永磁同步电机的过载能力强。当新转子结构和传统转子电机过载能力相同时，新转子电机的永磁体用量少。 结 论 本文在分析传统电机结构的基础上，分析了电机齿槽对气隙磁场的影响，提出了一种转子齿宽按照正弦分布的新结构永磁同步电动机转子，并利用ANSYS软件建立了不同转子的模型，分析了传统转子电机与新转子电机的气隙磁密波分布和电磁转矩特性。结果表明新转子结构能够提高气隙磁密的基波含量，抑制高次谐波含量，同时新转子永磁同步电机的永磁体利用率高，过载能力强，极大地改善了永磁电机的运行性能。 来源：网络 |
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