場路結(jié)合法設(shè)計分析內(nèi)置式永磁同步電動機
張蔚1,2，林明耀2
(1南通大學(xué)，江蘇南通226007；2東南大學(xué)，江蘇南京210096)
摘要：采用場路結(jié)合法設(shè)計稀土永磁同步電動機。運用有限元分析軟件ANSYS計算承磁同步電動機電磁系數(shù)，針剝15 kW永磁同步電動機的設(shè)計，計算與分析樣機的交直軸電樞反應(yīng)電抗，并對氣隙和永磁體磁化方向長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機陛能的影響進行了分析。
關(guān)鍵詞：水磁同步電動機；有限元分析；場路結(jié)合法
中圖分類號：TM341 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)01—0025—03
0引 言
我國是稀土大國，稀土儲量約占世界的百分之80，研究和開發(fā)高效稀土永磁同步電動機，可大面積推廣應(yīng)用我國資源豐富的釹鐵硼永磁材料，可促進一些重工業(yè)行業(yè)電機拖動方面的節(jié)能改造，改變目前我國電能浪費嚴(yán)重的現(xiàn)狀，帶來可觀的節(jié)能效果和顯著的經(jīng)濟社會效益。由于永磁同步電動機取消了勵磁繞組、集電環(huán)和勵磁柜，與普通電勵磁同步電動機相比，不僅提高了可靠性和免維護性，其效率也有了較大提高；與異步電動機相比，不但效率增加，功率因數(shù)也大大改善。因此，研制高效稀土永磁同步電動機替代電勵磁同步電動機和普通異步電動機，具有很大的實際意義。
由于永磁同步電動機中使用的永磁體形狀多種多樣，給電機設(shè)計中的空載漏磁系數(shù)、極弧系數(shù)和氣隙系數(shù)等的確定帶來較大的難度，因此，這些系數(shù)的準(zhǔn)確計算對永磁電機的設(shè)計十分重要。目前在計算這些參數(shù)時，常用的計算方法有三種：等效磁路法、有限元法和等效網(wǎng)路法。本文采用場路結(jié)合的方法，通過有限元分析軟件ANSYS對電磁場進行數(shù)值計算，結(jié)合等效磁路法對電機參數(shù)進行計算。
1基于ANSYS永磁同步電動機模型的建立
本文在同類鼠籠式異步電動機尺寸基礎(chǔ)上派生設(shè)計15 kW稀土永磁同步電動機樣機，這是一個具有整體轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的稀土永磁同步電動機，如圖1所示。永磁體采用內(nèi)置徑向式，樣機主要尺寸如下：極數(shù)4，定子D 1=260 mm，D i1=170 mm，轉(zhuǎn)子D 2=168.7 mm，D i2=60 mm，定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)  定子鐵心長L 1=190 mm，磁鋼性能指標(biāo)：剩磁密度B r=1.07 T，計算矯頑力H c=817 25 kA／m： 2永磁同步電動機參數(shù)計算方法
同有限元方法相比，等效磁網(wǎng)絡(luò)法沒有有限元計算精確，計算誤差主要產(chǎn)生于下述兩點：
(1)它不能精確表示出齒槽對氣隙磁密分布的影響,計算的氣隙磁密曲線顯得粗糙。
(2)為了使等效磁導(dǎo)的劃分與實際齒的各個部分飽和程度相同，必須對齒進行細分，等效為多個磁導(dǎo)．
本設(shè)計采用了場路結(jié)合的方法，通過有限元分析軟件ANsYs對電磁場進行分析計算，得出空載漏磁系數(shù)、計算極弧系數(shù)和氣隙波形系數(shù)等，結(jié)合等效磁路法對樣機進行參數(shù)計算，具有較高的精度。下面就對這些系數(shù)的計算進行介紹：
2．1空載漏磁系數(shù)
空載漏磁系數(shù)是指電動機空載時的總磁通Φ與主磁通Φδ 0之比。它的大小不僅標(biāo)志著永磁體的利用程度，而且對電動機中永磁材料抗去磁能力和電動機的性能也有較大的影響。通常的解析法計算漏磁系數(shù)誤差較大：本文首先建立ANsYs樣機模型，然后分別選擇永磁體與氣隙路徑進行電磁場數(shù)值計算，算出空載漏磁系數(shù)  圖2顯示了ANsYs中樣機模型的空載磁力線分布。 2.2計算極弧系數(shù)
極弧系數(shù)α i的大小決定于徑向磁場沿圓周的分布。對于永磁電機，氣隙磁場的分布與永磁體充磁方式、磁路飽和程度等因素有關(guān)：通過ANsYs分析可以得出的樣機中空載氣隙磁密波形如圖3所示，進而分別對空載氣隙路徑積分求平均值和求氣隙磁密****，即可得出極弧系數(shù)  2.3氣隙波形系數(shù)
通過將空載氣隙磁密波形傅立葉分解得到氣隙基波磁密B m，如圖4所示，進而計算得出氣隙磁密波形系數(shù)  氣隙磁通波形系數(shù)為電機基波磁通Φ m與氣隙總磁通士。的比值  再根據(jù)  得出氣隙磁通波形系數(shù)。 3 參數(shù)計算與分析
利用前述的場路結(jié)合計算方法，調(diào)整電機模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算分析其對電機參數(shù)和性能的影響。
3．1交直軸電樞反應(yīng)電抗
交直軸電抗作為電機設(shè)計的重要參數(shù)，與電機其他參數(shù)有著密切的聯(lián)系。合理設(shè)計，加大交直軸電抗之差，適當(dāng)減少永磁體的用量，在提高功率因數(shù)的同時，也能保證電動機過載能力、牽人同步能力。對設(shè)計的樣機模型進行計算，得出交直軸電樞反應(yīng)電抗：
式中：E。為空載反電動勢，Ed為直軸反應(yīng)電動勢，Id為直軸電流，xad為直軸反應(yīng)電抗，bmN為直軸電流等于Id時永磁體的負載工作點，ΦIN為直軸電樞電流等于Id時永磁體提供的有效氣隙基波磁通，Kdp為繞組因數(shù)，KΦ為氣隙磁通波形系數(shù)，Am為提供每極磁
通的截面積。
由式(1)～式(4)得出直軸電樞反應(yīng)電抗：
式中：Faq為交軸電樞磁動勢，Kaq為交軸電樞磁動勢折算系數(shù)，p為極對數(shù)，Iq為交軸電流，N為每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，Φ10為空載時永磁體提供的有效氣隙基波磁通。
式中：Φaq1為交軸氣隙基波磁通，Eaq為交軸反應(yīng)電動勢。
由式(5)、式(6)可得出交軸電樞反應(yīng)電抗：
圖5顯示了交直軸電樞反應(yīng)電抗的變化。Id從0．1/N增大到IN時，直軸反應(yīng)電抗從4. 03 Ω～4. 39Ω，Iq從0．1IN，增大到IN時，交軸反應(yīng)電抗從6.57Ω～7．10 Ω，從圖上可看出直軸反應(yīng)電抗變化不大，因而在磁路計算時可不考慮的Xad非線性，只考慮了交軸磁路飽和對Xaq的影響。IN為額定電流。
通過場路結(jié)合法計算出該模型的X d=4．8lΩ，X q=7．44 Ω。利用電機中的“3—2坐標(biāo)變換”，分別通入直軸電流I d和交軸電流I q，同時將永磁勵磁磁勢設(shè)為0，通過ANsYs求出各自產(chǎn)生的磁場能量W md和W mq。根據(jù)  得出交直軸電抗分別為X=4．38 Ω，X q=7．20 Ω，****誤差不超過百分之10，具有較高的精度。 3．2氣隙長度對電機參數(shù)的影響
在同一模型其它尺寸不變的情況下，改變氣隙長度，實驗數(shù)據(jù)表明(如表l所示)，氣隙長度越大，空載漏磁系數(shù)就越大，即漏磁越多。永磁同步電動機的氣隙長度比同規(guī)格感應(yīng)電動機大O.Ol～O.02cm，這樣可減小雜散損耗提高效率。與設(shè)計同規(guī)格的異步電動機相比，當(dāng)調(diào)整氣隙為0．065 cm時，永磁同步電動機功率因數(shù)等于0.98，效率達到百分之94，
電機具有較高的性能指標(biāo)，因而在保證空載漏磁系數(shù)不太大情況下可適當(dāng)增加氣隙長度。
3.3永磁體磁化方向長度變化對空載漏磁系數(shù)的影響增加磁化方向長度hm可以減少直軸電抗，可明顯提高電動機的過載能力，但對恒功率調(diào)速運行電動機的弱磁擴速能力不利，hm作為永磁體的尺寸之一，除影響電機的運行性能外，還影響電動機中永磁體的空載漏磁系數(shù)。實驗中，保持樣機中永磁體其它尺寸一樣的情況下，變化永磁體磁化方向長度，研
究hm對空載漏磁系數(shù)的影響。從表2的實驗數(shù)據(jù)中可以看出，hm越大，空載漏磁系數(shù)越小。
4結(jié)語
本文采用場路結(jié)合的方法對15 kw永磁同步電動機進行了設(shè)計與分析。通過有限元軟件AN-SYS計算出電機中一些重要的電磁系數(shù)，提高了磁路計算結(jié)果的精度。本文還分析了電機形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對電機性能的影響，對設(shè)計同類電機具有一定實際意義。
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