自起動(dòng)低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)分析

1、自起動(dòng)低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)分析摘要:現(xiàn)在有很多場(chǎng)合需要用到低速大轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直驅(qū)式電機(jī)相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。依照低速大轉(zhuǎn)矩自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求初步設(shè)計(jì)了一種電機(jī)，介紹了該電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，計(jì)算了電機(jī)的主要參數(shù)，并利用ANSYS、MATLAB軟件，采用時(shí)步有限元法進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了一定的分析。關(guān)鍵詞:低速自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要用到低速大轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)裝置，普通電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，在日常應(yīng)用中需輔助一定的減速機(jī)構(gòu)，這既降低了效率，又造成設(shè)備上的浪費(fèi)。文獻(xiàn)5提出根據(jù)pn=60f,在頻率確定情況下,增加電機(jī)的極對(duì)數(shù)可大幅

2、度地降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)輸出較大轉(zhuǎn)矩，這種電機(jī)可用于低速直接傳動(dòng)，能夠省齒輪箱等笨重的減速機(jī)構(gòu)，因此具有很好的應(yīng)用前景。本文提出的多極永磁同步電動(dòng)機(jī)，在極對(duì)數(shù)數(shù)倍于普通電機(jī)的情況下,鐵芯槽數(shù)并不提高太多，與極數(shù)接近，提高了電機(jī)的單位體積出力。從文獻(xiàn)1可知本電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法均與傳統(tǒng)電機(jī)有很多不同之處，與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，其顯著的特點(diǎn)有：多極的磁路安排,繞組分配特殊；電機(jī)重量減輕，電機(jī)體積小，具有高功率密度（單位體積所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大）；具有自起動(dòng)能力。文章給出了設(shè)計(jì)方案，介紹了該電機(jī)的結(jié)構(gòu)，然后給出了電機(jī)時(shí)步有限元仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行一定的分析研究，最后提出了設(shè)計(jì)的不足之處和需要改進(jìn)的地

3、方。1電機(jī)的基本設(shè)計(jì)方案1.1模型機(jī)規(guī)格此電機(jī)的極數(shù)為30,定子槽數(shù)為36，由于極槽數(shù)接近，與傳統(tǒng)交流電機(jī)的一個(gè)極下有3相繞組的結(jié)構(gòu)形式有較大差別，每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，即2/5。電機(jī)永磁體嵌放于轉(zhuǎn)子側(cè)，采用內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)。電機(jī)的主要尺寸是依照Y400-6系列電機(jī)的規(guī)格作為參考確定的。永磁同步電動(dòng)機(jī)為減小過(guò)大的雜散損耗，降低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲和便于電動(dòng)機(jī)的裝配，其氣隙長(zhǎng)度？一般要比同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大。所以此電機(jī)選用氣隙時(shí)選了一個(gè)較大的值。電機(jī)規(guī)格詳細(xì)參數(shù)如下。功率:315kW額定相電壓：380V額定頻率:50Hz額定轉(zhuǎn)速:200r/min額定轉(zhuǎn)矩:1.504TO4Nm定子外徑:63cm定

4、子內(nèi)徑:49cm氣隙長(zhǎng)度：0.25cm轉(zhuǎn)子外徑:48.5cm轉(zhuǎn)子內(nèi)徑:20cm每槽導(dǎo)體數(shù):24磁鋼矯頑力:880kA/m定子鐵芯長(zhǎng):80cm電機(jī)定子鐵心材料：DW470-50硅鋼片1.2電機(jī)主要參數(shù)依照電機(jī)設(shè)計(jì)中路的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)3,然后進(jìn)行了程序編制,利用程序計(jì)算出有限元仿真時(shí)所用到的一些主要參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。2時(shí)步有限元仿真該仿真方法結(jié)合了ANSYS軟件平臺(tái)與MATLAB編制的時(shí)步有限元計(jì)算程序。2.1永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算電機(jī)電磁場(chǎng)的計(jì)算一般歸結(jié)為某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必須結(jié)合具體問(wèn)題的特定邊界條件才能獲得唯一的解答。求解的過(guò)程較為復(fù)雜，考慮到實(shí)心轉(zhuǎn)子

5、永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)精度高的要求，本文采用有限元法對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。永磁電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)瞬態(tài)邊值問(wèn)題可用公式（1）來(lái)表示4其中q為求解區(qū)域，ri為定子鐵心外圓邊界，2為永磁體和其他媒介的交界。V1,為不同介質(zhì)的磁阻率，為永磁體等效面電流密度且Sc=HcXn,H為永磁體矯頑力。2.2仿真過(guò)程首先，在ANSYS軟件中對(duì)模型機(jī)進(jìn)行建模6。具體步驟如下。依據(jù)所設(shè)計(jì)電機(jī)的規(guī)格數(shù)據(jù)，對(duì)樣機(jī)建立物理模型，用ANSYS繪制電機(jī)剖視圖，如圖1所示。給電機(jī)中各個(gè)部分賦不同的材料號(hào)以便區(qū)分各個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域。對(duì)截面圖進(jìn)行網(wǎng)格剖分。此處采用了剖分精度為7,三節(jié)點(diǎn)自由剖分模式，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此精度已經(jīng)能夠滿足計(jì)算精度。電機(jī)

6、整體剖分圖如圖2所示。將剖分后所得的節(jié)點(diǎn)、單元、邊界信息從ANSYS中導(dǎo)出，形成三個(gè)文本文件，以便之后進(jìn)行時(shí)步有限元計(jì)算時(shí)所用。將由ANSYS導(dǎo)出的三個(gè)文本文件導(dǎo)入用MATLAB軟件編制的時(shí)步有限元程序中，賦上電機(jī)相應(yīng)的參數(shù)，調(diào)試程序，進(jìn)行模型機(jī)的起動(dòng)過(guò)程仿真。2.3仿真結(jié)果電機(jī)額定負(fù)載起動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示。轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。由于脈振轉(zhuǎn)矩和諧波磁場(chǎng)的存在，低速時(shí)電機(jī)的起動(dòng)特性并不是十分理想。轉(zhuǎn)速圍繞同步速振蕩振蕩幅度隨著轉(zhuǎn)速的升咼而減小，并最終牽入同步。圖5為額定負(fù)載起動(dòng)時(shí)電機(jī)反電勢(shì)的變化規(guī)律。電機(jī)額定負(fù)載起動(dòng)時(shí)的定子電流變化曲線如圖6所示。3仿真結(jié)果的分析采用時(shí)步有限

7、元法對(duì)樣機(jī)模型在滿載起動(dòng)時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)負(fù)載條件下瞬變電磁場(chǎng)的求解，得到仿真計(jì)算結(jié)果。文獻(xiàn)2中提出自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中既有平均轉(zhuǎn)矩（異步轉(zhuǎn)矩、磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩、發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩），又有脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且這些轉(zhuǎn)矩的幅值均隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)0.4s后牽入同步，此時(shí)，定子電流波形逐漸恢復(fù)至正常范圍，電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。從起動(dòng)過(guò)程仿真曲線可以看出，電機(jī)能牽入同步，正常起動(dòng)。4結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了一種可直接起動(dòng)的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)。此電機(jī)模型仿真出了起動(dòng)曲線，但是由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，氣隙磁密偏高，因此有些結(jié)構(gòu)可以完善修改，初步考慮的方案有：減小永磁體厚度，適當(dāng)加大電機(jī)

8、定子內(nèi)外徑，加大氣隙長(zhǎng)度等方法。所研究得到的理論和仿真結(jié)果可作為進(jìn)一步研究這類電機(jī)的基礎(chǔ)和依據(jù)。參考文獻(xiàn)李發(fā)海，朱東起.電機(jī)學(xué)（第4版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007,6.唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008,5.陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004,2.倪光正，楊仕友.工程電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010,4,1.敬立發(fā)，黃海宏.一種新穎的多極低速永磁同步電機(jī)J.東北電力技術(shù),2000,5:2730.張蔚，梁惺彥,陸國(guó)平，等.基于場(chǎng)路結(jié)合法的永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析軟件J.微電機(jī),2008,11:2325.PrakashrajKasinathan,AndersGrauers,E