自起动低速大转矩永磁同步电动机的设计分析

自起动低速大转矩永磁同步电动机的设计分析摘要:现在有很多场合需要用到低速大转矩的驱动电机，直驱式电 机相比传统驱动电机具有显著的优点。依照低速大转矩自起动永磁同 步电动机的技术要求初步设计了一种电机，介绍了该电机的基本结构, 计算了电机的主要参数,并利用ANSYS、MATLAB软件，采用时步有 限元法进行了仿真计算,并对仿真结果进行了一定的分析。关键词:低速 自起动 永磁同步电动机 设计分析随着科学技术的发展，越来越多的场合需要用到低速大转矩的驱 动装置，普通电机转速较高,在日常应用中需辅助一定的减速机构,这 既降低了效率，又造成设备上的浪费。文献提出根据pn=60f,在频率 确定情况下，增加电机的极对数可大幅度地降低转速，同时输出较大转 矩，这种电机可用于低速直接传动，能够省齿轮箱等笨重的减速机构, 因此具有很好的应用前景。本文提出的多极永磁同步电动机，在极对数数倍于普通电机的情 况下，铁芯槽数并不提高太多,与极数接近，提高了电机的单位体积出 力。从文献可知本电机的结构和设计方法均与传统电机有很多不 同之处，与传统的永磁同步电动机相比，其显著的特点有:多极的磁路 安排，绕组分配特殊;电机重量减轻，电机体积小，具有高功率密度（单位 体积所产生的转矩大）;具有自起动能力。文章给出了设计方案，介绍了该电机的结构,然后给出了电机时步 有限元仿真结果,并对仿真结果进行一定的分析研究，最后提出了设计 的不足之处和需要改进的地方。1电机的基本设计方案1.1模型机规格此电机的极数为30,定子槽数为36,由于极槽数接近，与传统交流 电机的一个极下有3相绕组的结构形式有较大差别，每极每相槽数为 分数，即2/5。电机永磁体嵌放于转子侧，采用内置切向式结构。电机的主要尺寸是依照Y400-6系列电机的规格作为参考确定 的。永磁同步电动机为减小过大的杂散损耗，降低电动机的振动与噪 声和便于电动机的装配,其气隙长度?一般要比同规格的感应电动机 的气隙大。所以此电机选用气隙时选了一个较大的值。电机规格详细 参数如下。功 率:315kW额定相电压:380V额定频率:50Hz额定转速:200r/min额定转矩:1.504xl04Nm定子外径：63cm 定子内径:49cm气隙长度:0.25cm 转子外径:48.5cm转子内径:20cm每槽导体数:24磁钢矫顽力:880kA/m定子铁芯长:80cm电机定子铁心材料:DW470-50硅钢片1.2电机主要参数依照电机设计中路的方法对电机进行初步设计，然后进行 了程序编制，利用程序计算出有限元仿真时所用到的一些主要参数，计 算结果如表1所示。2时步有限元仿真该仿真方法结合了 ANSYS软件平台与MATLAB编制的时步有 限元计算程序6。2.1永磁同步电动机电磁场数值计算电机电磁场的计算一般归结为某些偏微分方程的求解。求解偏微 分方程必须结合具体问题的特定边界条件才能获得唯一的解答。求解 的过程较为复杂，考虑到实心转子永磁同步电动机设计精度高的要求, 本文采用有限元法对其电磁场进行数值计算。永磁电机内电磁场瞬态边值问题可用公式来表示4。其中q为求解区域,ri为定子铁心外圆边界，厂2为永磁体和其他 媒介的交界。Vl,v2为不同介质的磁阻率,6为永磁体等效面电流密度, 且6c=Hcxn,Hc为永磁体矫顽力。2.2仿真过程首先，在ANSYS软件中对模型机进行建模6。具体步骤如下。依据所设计电机的规格数据，对样机建立物理模型，用ANSYS绘 制电机剖视图，如图1所示。给电机中各个部分赋不同的材料号以便区分各个性质不同的区 域。对截面图进行网格剖分。此处采用了剖分精度为7,三节点自由剖 分模式，依据经验，此精度已经能够满足计算精度。电机整体剖分图如 图2所示。将剖分后所得的节点、单元、边界信息从ANSYS中导出，形成三 个文本文件，以便之后进行时步有限元计算时所用。将由ANSYS导出的三个文本文件导入用MATLAB软件编制的 时步有限元程序中,赋上电机相应的参数，调试程序，进行模型机的起 动过程仿真。2.3仿真结果电机额定负载起动时的电磁转矩曲线如图3所示。转速随时间变化的曲线如图4所示。由于脉振转矩和谐波磁场的 存在，低速时电机的起动特性并不是十分理想。转速围绕同步速振荡, 振荡幅度随着转速的升咼而减小，并最终牵入同步。图5为额定负载起动时电机反电势的变化规律。电机额定负载起动时的定子电流变化曲线如图6所示。3仿真结果的分析采用时步有限元法对样机模型在满载起动时进行仿真计算，通过对负载条件下瞬变电磁场的求解,得到仿真计算结果。文献2中提出自起动永磁同步电动机在起动过程中既有平均转 矩（异步转矩、磁阻负序分量转矩、发电制动转矩）,又有脉动转矩，且 这些转矩的幅值均随电动机转速的变化而变化。永磁同步电动机在起 动0.4s后牵入同步，此时，定子电流波形逐渐恢复至正常范围，电机进入 同步运行状态。从起动过程仿真曲线可以看出，电机能牵入同步，正常 起动。4结语本文设计了一种可直接起动的低速大转矩永磁同步电机。此电机 模型仿真出了起动曲线,但是由于其结构的特殊性,气隙磁密偏高,因 此有些结构可以完善修改，初步考虑的方案有:减小永磁体厚度，适当 加大电机定子内外径，加大气隙长度等方法。所研究得到的理论和仿真结果可作为进一步研究这类电机的基 础和依据。参考文献1 李发海，朱东起.电机学（第4版）M.北京:机械工业出版 社,2007,6.2 唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京:机械工业出版 社,2008,5.陈世坤.电机设计M.北京:机械工业出版社,2004,2.4 倪光正，杨仕友.工程电磁场数值计算M.北京:机械工业出 版社,2010,4,1.5 敬立发潢海宏.一种新颖的多极低速永磁同步电机J.东北 电力技术,2000,5:2730.6 张蔚，梁惺彦,陆国平，等.基于场路结合法的永磁同步电动机 设计分析软件J.微电机,2008,11:2325.7 Prakashraj Kasinathan,Anders Grauers,Essam S.Hamdi,Force Density Limits in Low-speed Permanent-magnet Machines Due to Saturation,IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(1).