楊正華

摘 要：隨著材料、加工和控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯著提高，高速風(fēng)機(jī)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，尤其是在工業(yè)。高速永磁發(fā)動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，是進(jìn)行電磁、機(jī)械以及熱耦合的主要任務(wù)。高速永磁發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法還不完善，美國(guó)還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。該文收集了關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證高速永磁體的電磁優(yōu)化。以風(fēng)機(jī)用高速永磁發(fā)動(dòng)機(jī)為目標(biāo)，介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，總結(jié)了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)介紹了永磁發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)風(fēng)機(jī);永磁電機(jī);優(yōu)化;設(shè)計(jì)

1 研究背景與意義

為了更有效地針對(duì)地球環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)措施，因此，低碳經(jīng)濟(jì)越來(lái)越成為，各國(guó)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要趨勢(shì)。在中國(guó)，隨著目前經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展階段，與環(huán)境污染也成為了一個(gè)極為嚴(yán)重的問(wèn)題。而高速水磁發(fā)動(dòng)機(jī)，具備了效率高的優(yōu)點(diǎn)，非常符合目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及節(jié)能減排的雙重需要。目前，在許多西方發(fā)達(dá)國(guó)家中，高速發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域：廢水處理、天然氣輸送和氣流制冷系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)和高速壓縮機(jī)，必須由高速永磁電機(jī)機(jī)控制。在高精度領(lǐng)域，使用高速電機(jī)軸可有效提高機(jī)械的精度和產(chǎn)量;近年來(lái)，在關(guān)于的新能源供應(yīng)系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸成為目前能源行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，同時(shí)也為新能源方向的使用提供了一個(gè)新的方向，因?yàn)樗哂袚p耗小、成本低、可靠性高的特點(diǎn)。

齒槽轉(zhuǎn)矩問(wèn)題，是永磁電機(jī)所特有的幾個(gè)問(wèn)題之一。如果永磁發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不能實(shí)現(xiàn)有效制動(dòng)，則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，從而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，特別是在低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速的情況下。因此，需要削弱風(fēng)扇外部轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定磁電機(jī)。首先，在選擇定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)，比較了高速永磁發(fā)動(dòng)機(jī)、適用于閥桿套筒的各種發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的性能差異以及高速發(fā)動(dòng)機(jī)的纏繞問(wèn)題。在保證符合實(shí)際加工要求的基礎(chǔ)上，盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，減少發(fā)動(dòng)機(jī)損耗，降低溫升，然后優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。本文主要研究轉(zhuǎn)子角度和磁模式。最后，給出了使用磁槽楔進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的示意圖，并分析了磁槽楔效應(yīng)的相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的分析

2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理

如果永磁體的同步發(fā)動(dòng)機(jī)在其進(jìn)行繞組部分，并未進(jìn)行激活，則由于永磁體以及儀表齒之間，具有一定的相互作用，從而產(chǎn)生切向分量，永磁體和鐵芯之間相互作用產(chǎn)生的扭矩，應(yīng)稱為齒槽轉(zhuǎn)矩。如果在這一永磁電機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子之間存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則永磁體與磁極儀器齒之間，存在磁導(dǎo)率基本處于不變的狀態(tài)，因此在儀器齒周圍所具備的磁場(chǎng)，也基本不變。在兩個(gè)儀器齒組成的小區(qū)域范圍內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)永磁體的兩側(cè)，磁導(dǎo)率發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致磁場(chǎng)中的儲(chǔ)能發(fā)生變化，如果發(fā)動(dòng)機(jī)未通電，皮帶扣扭矩定義為磁場(chǎng)能量w相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置a角度的負(fù)導(dǎo)數(shù)?？梢员硎緸?/p>

2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析

為便于后面的相關(guān)分析，假設(shè)永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相同，且永磁發(fā)動(dòng)機(jī)儀表磁芯的磁導(dǎo)率為無(wú)窮大。因此，保留在發(fā)動(dòng)機(jī)中的能量是近似恒定的磁鐵和微分磁能的總和?？梢员硎緸?/p>

磁場(chǎng)能量w取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、穩(wěn)態(tài)磁鐵性能以及定子和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置。整個(gè)儀器表面上氣孔的磁密度分布可近似表示為：

在永磁分布方面，目前呈現(xiàn)出較為均勻分布情況的永磁電機(jī)，其所對(duì)應(yīng)的傅里葉展開(kāi)式應(yīng)當(dāng)為：

該式子中所出現(xiàn)的p為極對(duì)數(shù)，且αp為這一永磁磁極的對(duì)應(yīng)極弧系數(shù)。

2.3不等厚磁極結(jié)構(gòu)與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系的分析

經(jīng)過(guò)上述的基本分析，可以看出，只要通過(guò)對(duì)B進(jìn)行減小操作，齒輪的扭矩就可能同時(shí)會(huì)出現(xiàn)減小情況。通過(guò)改變永磁極的形狀，使得板狀永磁體集中在原來(lái)的內(nèi)徑和外徑轉(zhuǎn)變到現(xiàn)有的內(nèi)徑和外徑上，即永磁體具有不等的厚度，以減少B并且達(dá)到將齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行減少的目的。

2.4極弧系數(shù)與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系的分析

半導(dǎo)體是指方弧寬度與極距之比。上述公式表明，B（0）對(duì)共軛扭矩有主要影響，但并非所有B（0）傅里葉退化系數(shù)都對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有影響。只有NZ/2p傅里葉退化系數(shù)對(duì)輪齒的扭矩有影響，選擇合理的半圓弧系數(shù)來(lái)降低輪齒扭矩處的傅里葉退化系數(shù)可以有效地降低輪齒的扭矩。

3 風(fēng)機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化分析

3.1 不等厚永磁體的優(yōu)化

如果在定轉(zhuǎn)子之間存在著均勻的氣隙，可能會(huì)造成較多氣隙的產(chǎn)生，而由于多次諧波的出現(xiàn)，就會(huì)造成更多的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。如果能夠選用不等厚磁體，就會(huì)對(duì)應(yīng)獲得不均勻的氣隙，具有較少的存在于磁極中心的對(duì)應(yīng)氣隙，而氣隙在處于磁尖處時(shí)較大。從而在永磁體情況下，在氣隙磁體的分布密度方面，能夠更想正弦波情況。從而能夠使得諧波對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響大大減少。

電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩所具有的幅值，并不是在偏心距發(fā)生增大時(shí)，而單調(diào)減小。但當(dāng)其處于一定范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)偏心距，這一偏心距能夠得到最小的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值。當(dāng)偏心距h =17 mm時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為0.171 Nm。

3.2 極弧系數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)上述分析的結(jié)果可以得知，如果選擇不同的半曲線系數(shù)，穩(wěn)態(tài)磁發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的振幅也應(yīng)不同。因此，可以使用軟件對(duì)磁鋼半弧系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析，以降低其扭矩，從而得出最佳偏心率，確定極弧系數(shù)變量（E），在保持其他相關(guān)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以獲得不同極弧系數(shù)的齒輪情況。

但是半圓弧系數(shù)也不是越高越好。在一定程度上，存在一個(gè)最佳的半圓弧系數(shù)來(lái)最小化齒輪的扭矩振幅。如果極弧系數(shù)e=0.90，則齒輪扭矩的對(duì)應(yīng)振幅應(yīng)當(dāng)為0.838 nm。

4 工業(yè)風(fēng)機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果及分析

基于已建立的二維有限元模型發(fā)動(dòng)機(jī)，利用掃描分析結(jié)果，選擇優(yōu)化偏心率和明信片系數(shù)進(jìn)行仿真，得到共軛扭矩曲線，并對(duì)優(yōu)化前的齒輪扭矩進(jìn)行比較。優(yōu)化前的最大扭矩為241.2 MNM，優(yōu)化后齒輪調(diào)整的最大扭矩為19.97 Mn（m），最大扭矩減少221.23 Mn=m。優(yōu)化后，峰值扭矩按標(biāo)稱扭矩1.09%計(jì)算。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)模擬獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。

5 結(jié)語(yǔ)

為了將工業(yè)用永磁電機(jī)的相關(guān)構(gòu)造設(shè)計(jì)，進(jìn)行合理優(yōu)化，應(yīng)根據(jù)永磁電機(jī)的真實(shí)轉(zhuǎn)矩機(jī)理，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)永磁發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。再利用此進(jìn)行分析，選擇合適的偏心距和極弧系數(shù)可以有效地削弱永磁發(fā)動(dòng)機(jī)的變形轉(zhuǎn)矩。以某同步發(fā)動(dòng)機(jī)24槽8極風(fēng)扇外轉(zhuǎn)子永磁體為例，建立了基于Maxwell 2D的永磁體的對(duì)應(yīng)有限元模型，仿真分析了磁鋼的偏心率和弧后系數(shù)，得到了最佳偏心率和弧后系數(shù)。因此，本文為工業(yè)用永磁電機(jī)，在相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，提供了較為有效的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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