熊昱強(qiáng),安躍軍,安 輝,薛麗萍,關(guān)恩祿

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

近年來隨著半導(dǎo)體芯片、生物醫(yī)學(xué)制藥和光伏產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，真空干泵作為關(guān)鍵工藝設(shè)備獲得了重點(diǎn)關(guān)注。軸向分段式爪極電機(jī)是一種多段式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，不僅有較高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，并且具有傳統(tǒng)爪極電機(jī)制造成本低、運(yùn)行可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]研究了爪極形狀對(duì)軸向分段式外轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)漏磁、磁密以及波形的影響。文獻(xiàn)[2]對(duì)軸向分段式外轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的溫度分布進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)軸向分段式外轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)在高速電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了較為全面的研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)爪極電機(jī)的空載特性進(jìn)行研究并給出了改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[5]提出了一種預(yù)測(cè)和優(yōu)化爪極電機(jī)噪聲的方法。

真空干泵用電機(jī)種類較多，文獻(xiàn)[6]比較詳細(xì)地介紹了真空干泵用感應(yīng)電機(jī)、永磁高效電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和同步磁阻電機(jī)的特點(diǎn),對(duì)不同種類電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)。

真空泵與驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體化能夠?qū)崿F(xiàn)更高的真空要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以利用屏蔽套提高真空干泵的密封性[7]。工作在真空環(huán)境下，如何降低電機(jī)溫度也是真空泵用電機(jī)應(yīng)該考慮的問題，目前真空泵的冷卻方式多為水冷散熱。軸向分段式爪極電機(jī)主要的損耗在定子上，因此定子溫度高。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的軸向分段式爪極電機(jī)定子熱量不易散出，且不能適用已成型的一體化結(jié)構(gòu)和屏蔽套密封技術(shù)。本文研究的真空干泵用軸向分段式爪極電機(jī)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。根據(jù)一臺(tái)實(shí)際的真空干泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1.5 kW、9 000 r/min的內(nèi)轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)，對(duì)其電磁性能和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果可為研發(fā)新型真空干泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供參考依據(jù)。

1 電機(jī)模型與運(yùn)行原理

本文設(shè)計(jì)的是三相爪極電機(jī)，因此電機(jī)為三段式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。定子爪極由6個(gè)爪構(gòu)成，定子材料使用軟磁復(fù)合材料(SMC)[8-10]，該材料各向同性，特別適用于具有三維磁路的軸向分段式爪極電機(jī)[11]。爪極電機(jī)的定子可以由軟磁復(fù)合材料直接壓鑄成型，并且加工精度較高，有利于電機(jī)的大量生產(chǎn)，降低成本。定子槽內(nèi)裝入集中繞組，該結(jié)構(gòu)的繞組無端部，提高繞組利用率，降低了銅耗。轉(zhuǎn)子外表面粘貼3組6極永磁體。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，為防止永磁體脫落，在轉(zhuǎn)子外安裝采用sus304材料制作的保護(hù)套[12]。

圖1 三段式爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)

三段爪極鐵心沿軸向互差40°機(jī)械角度(120°電角度)放置，使三段結(jié)構(gòu)在電磁上解耦。在電機(jī)3個(gè)繞組內(nèi)通入三相交流電，每段爪極便會(huì)產(chǎn)生隨三相交流電變化的磁場(chǎng)。3段定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間疊加成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

2 電磁設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)基本參數(shù)選擇

軸向分段式爪極電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)與電機(jī)的電磁性能息息相關(guān)。由于爪極電機(jī)定子爪極參數(shù)較多，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要達(dá)到所要求的電磁性能外，還要考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性。電機(jī)主要尺寸和電機(jī)性能指標(biāo)之間的關(guān)系為[13]

(1)

式中：D為爪極定子內(nèi)徑；le為三段定子鐵心長(zhǎng)度；nN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；PN為電機(jī)額定功率；KNm為氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)；αp為計(jì)算極弧系數(shù)；Bδ為氣隙磁通密度；A為電流線負(fù)荷；m為電機(jī)的相數(shù)。

本文開發(fā)的電機(jī)性能指標(biāo)如表1所示。選擇合適的氣隙磁通密度與電流線負(fù)荷，將給定的電機(jī)參數(shù)代入式(1)，可得粗略地計(jì)算出電機(jī)的主要尺寸。之后建立模型進(jìn)行電磁仿真，結(jié)合技術(shù)指標(biāo)對(duì)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，最終得出電機(jī)的尺寸參數(shù)，如表2所示。

表1 電機(jī)主要性能指標(biāo)

表2 電機(jī)主要尺寸參數(shù) mm

2.2 爪極參數(shù)

在基本尺寸確定后，爪極電機(jī)的爪極形狀與永磁體尺寸對(duì)電機(jī)電磁性能有很大的影響。許多文獻(xiàn)研究了外轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的外形尺寸對(duì)空載反電動(dòng)勢(shì)、漏磁系數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，并給出了相應(yīng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的建議[14-15]。本文從爪極參數(shù)出發(fā)，研究爪極角對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響以及爪尖長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩的影響。

2.2.1 爪極角選取

爪極角如圖2所示。爪極角最大值為360°/2p，此時(shí)對(duì)應(yīng)爪極極弧系數(shù)為1?？紤]漏磁和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，爪極極弧系數(shù)一般在0.7～0.9之間，故本文選取的爪極角范圍為42°～54°。

圖2 爪極角

在其他參數(shù)不變的情況下，改變爪極角的度數(shù)，對(duì)比其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的變化，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩與爪極角關(guān)系曲線

圖4 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與爪極角關(guān)系曲線

由圖3可見，爪極角為42°～52°時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著爪極角的增加而增大，爪極角大于52°時(shí)，轉(zhuǎn)矩值趨于平穩(wěn)。由圖4可見，爪極角為42°～46°時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)逐漸增加，爪極角為48°～54°時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)逐漸減小。本文選取的電機(jī)爪極角為52°，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為1.60 N·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為8.3%。

2.2.2 爪尖長(zhǎng)度的選取

爪尖長(zhǎng)度為定子根部到爪尖的距離，如圖5所示。爪尖長(zhǎng)度的上限受鐵心長(zhǎng)度的影響，最大長(zhǎng)度為單段鐵心長(zhǎng)度與爪根厚度之差。本文電機(jī)最大爪尖長(zhǎng)度為19 mm，對(duì)比了不同爪尖長(zhǎng)度下電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形和轉(zhuǎn)矩大小，并對(duì)A相反電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行諧波分析。不同爪尖長(zhǎng)度的空載反電動(dòng)勢(shì)如圖6所示，轉(zhuǎn)矩值如表3所示，諧波分析如表4所示。

圖5 爪尖長(zhǎng)度

圖6 空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比

表3 不同爪尖長(zhǎng)度轉(zhuǎn)矩值

表4 空載反電動(dòng)勢(shì)諧波分析

由圖6可知，爪尖長(zhǎng)度為19 mm時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)幅值最小，且波形頂端不平整。爪尖長(zhǎng)度為15～18 mm時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)波形相近，幅值隨著爪尖長(zhǎng)度的增加而增大。

由表3可知，爪尖長(zhǎng)度為19 mm時(shí)轉(zhuǎn)矩最小，爪尖長(zhǎng)度為16～18 mm時(shí)轉(zhuǎn)矩值相等，爪尖長(zhǎng)度為15 mm時(shí)轉(zhuǎn)矩值略微降低。由表4可知，19 mm爪尖長(zhǎng)度的基波含量最小，17 mm和18 mm爪尖長(zhǎng)度的基波含量相同，18 mm爪尖長(zhǎng)度的3次諧波含量最少。綜合考慮，本文電機(jī)爪尖長(zhǎng)度選擇18 mm。

2.3 電磁場(chǎng)分析

電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，爪極電機(jī)氣隙磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生。圖7為定子爪極磁密分布。由圖7可見，磁密主要集中在定子爪尖和定子膝部位置，爪尖部分局部磁密較大，膝部部分略有飽和。定子爪尖部分平均磁密約為1.3 T，定子膝部平均磁密約為1.6 T；與定子爪身相比，定子軛部的磁密較小，因此可以適當(dāng)降低爪極定子軛部的厚度，減少材料使用的同時(shí)也可以降低電機(jī)的成本。

圖7 定子爪極磁密分布

圖8為轉(zhuǎn)子磁密分布，可見轉(zhuǎn)子磁密比定子低，轉(zhuǎn)子外圍磁密約為1 T，永磁體間的磁密最大，約為1.2 T。

圖8 轉(zhuǎn)子磁密分布

氣隙磁密對(duì)電機(jī)性能有著重要的影響。爪極電機(jī)的3D磁路使電機(jī)氣隙磁密波形在定子軸向不同位置有著不同的分布，如圖9所示。氣隙中間處氣隙磁場(chǎng)較強(qiáng)，靠近兩側(cè)邊緣處氣隙磁密開始下降，這是因?yàn)槭艿搅诉吘壭?yīng)的影響，電機(jī)內(nèi)部氣隙磁密分布合理。圖10～圖12為3處不同位置的氣隙磁密及其諧波含量。

圖9 空載氣隙磁密分布

圖10 0 mm處氣隙磁密與諧波含量

圖11 13 mm處氣隙磁密與諧波含量

圖12 26 mm處氣隙磁密與諧波含量

3處位置為單段爪極電機(jī)首尾和中間位置，依次為0 mm、13 mm和26 mm，如圖13所示。3個(gè)位置氣隙內(nèi)沿圓周方向分布的徑向氣隙磁場(chǎng)的正弦性畸變率分別為24.7%、25.0%、21.4%。

圖13 磁密選取位置示意圖

3 溫度場(chǎng)分析

電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種損耗，使電機(jī)溫度升高。電機(jī)溫度對(duì)電機(jī)的性能有很大的影響，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致永磁體退磁，加速電機(jī)絕緣老化。真空泵電機(jī)工作在真空環(huán)境中，散熱困難，電機(jī)溫度是真空泵重點(diǎn)考慮的問題。真空干泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)趨于穩(wěn)定時(shí)的三維溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型為[16]

(2)

式中：T為物體溫度；q為發(fā)熱源密度；c為材料的比熱容；γ為材料密度；t為時(shí)間；S1為電動(dòng)機(jī)絕熱邊界面；S2為電動(dòng)機(jī)散熱邊界面；Ten為S2周圍介質(zhì)的溫度；α為S2表面的散熱系數(shù)；K為S1和S2面法向?qū)嵯禂?shù)；Kx、Ky、Kz分別為電動(dòng)機(jī)各介質(zhì)x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；Qi-j是自平面i至平面j傳遞的熱量；Ai是平面i的表面積；Fij是兩個(gè)平面的角系數(shù)；ε是平面的總發(fā)射率；Ti和Tj分別為i、j兩個(gè)平面的溫度。

溫度場(chǎng)仿真中的熱源值是電機(jī)各部分損耗與其體積之比。本文主要的電機(jī)損耗是定轉(zhuǎn)子鐵耗、繞組銅耗以及保護(hù)套損耗，其值分別為97.7、25.1、19.3 W。經(jīng)聯(lián)合仿真可以得到電機(jī)各部分溫度圖，如圖14～圖16所示。

圖14 定子溫度分布

圖15 永磁體溫度分布

圖16 轉(zhuǎn)軸溫度分布

由溫度分布圖可知，電機(jī)定子平均溫度為121 ℃，轉(zhuǎn)軸平均溫度為60.3 ℃。

永磁體使用的是N38UH，最高工作溫度為180 ℃，而電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)永磁體最高溫度為61.4 ℃，為運(yùn)行在真空環(huán)境的永磁體預(yù)留了近三倍的安全裕度；真空泵電機(jī)轉(zhuǎn)子主要通過轉(zhuǎn)軸散熱，轉(zhuǎn)軸的溫度也不宜過高[17-18]；由溫度分布圖可以看出，電機(jī)溫度分布合理，定子溫度高，可以通過水冷來降低電機(jī)溫度[19-20]。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款真空干泵用軸向分段式爪極電機(jī)，通過電磁與溫度仿真分析了電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性與合理性。通過算例電機(jī)仿真分析可知：

(1) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)隨爪極角增大而提高，因此在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過增加爪極角來提高轉(zhuǎn)矩，有利于提高轉(zhuǎn)矩密度。爪極角對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響較大，爪極角為48°時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為21.2%，而爪極角為52°時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為8.3%。從轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)角度出發(fā)，軸向分段式爪極電機(jī)爪極角應(yīng)在爪極極弧系數(shù)為0.85附近取值。

(2) 爪尖長(zhǎng)度不能取最大長(zhǎng)度。爪尖長(zhǎng)度取最大值時(shí)，其空載反電動(dòng)勢(shì)幅值與基波都明顯低于其他爪尖長(zhǎng)度。根據(jù)本文仿真結(jié)果，建議爪尖長(zhǎng)度取最大長(zhǎng)度的0.9～0.95倍。

(3) 軸向分段式爪極電機(jī)的永磁體最高溫度為61.4 ℃，本文采用的永磁體最高工作溫度為180 ℃，給永磁體預(yù)留了近3倍的安全裕度；最高溫度在定子上，為124.2 ℃；轉(zhuǎn)軸溫度為60.3 ℃。電機(jī)溫度設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

本文研究為軸向分段式爪極電機(jī)作為真空干泵驅(qū)動(dòng)用電機(jī)提供了一定的參考依據(jù)。