攪拌機高效永磁同步電機的設計與分析

楊 敏，麻建中，何志瞧，胡凱波，趙力航，盧琴芬

(1.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 311121;2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121;3.浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 金華 321110;4.浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027)

0 引 言

永磁同步電機(PMSM)具有高效、高功率密度與高響應等優點，不僅替代了傳統非直驅系統的感應電機，而且成為直驅系統的關鍵部件，已經廣泛應用于工業、民用、軌道交通、國防軍工與航空航天等各行各業，功率與速度范圍寬[1]。

發電廠輔機系統需要大量的電機，例如風機、粉碎機與攪拌機等，傳統設備采用工頻的三相感應電機，系統的效率與功率因數低，隨著變頻技術的發展，已經逐步改造為變頻的三相感應電機，實現了系統效率與功率因數提升的目的。為了進一步提高攪拌機的效率，目前設備改造進入永磁同步電機替代三相感應電機的階段，設計開發高效的拓撲結構成為重要的研究內容。

PMSM拓撲結構具有多種多樣，各具有優點，電樞繞組與磁極結構是關注的焦點[2-3]。電樞繞組結構與極槽配合緊密相關，可分為端部重疊的結構與端部非重疊的結構。前者為常規的類型，優點是轉矩密度高，缺點是端部較長，后者正好相反，這也是近年來研究熱點。相對于電樞繞組，轉子結構的研究更多，最常見分為面貼式結構(SPMSM)與嵌入式結構(IPMSM)。面貼式結構永磁體位置已經固定，研究主要是磁極形狀，包括Halbach結構與面包式結構；嵌入式結構永磁體位置與形狀都可以改變[4-6]，結構類型繁多，主要有單層的一字形、V形、U形、W形以及多個單層結構構成的多層結構。相比較而言，IPMSM在轉矩密度、效率、功率因數等方面更具有優勢。

IPMSM為了獲得高轉矩密度與低轉矩脈動，在設計上的研究很多，如合理的拓撲結構、削弱齒槽轉矩、多目標優化設計、轉子分段斜極、交直軸電感計算與辨識、振動噪聲與等[7-11]。本文針對熱電廠輔機系統的攪拌機設計了一種高效的IPMSM。首先，基于等效電路方法[12]，設計了單層一字形、V形、U形與W形四種轉子拓撲結構的IPMSM，四種結構采用同樣的定子；根據永磁體用量最小、效率與功率因數最大的原則，選擇了最優的轉子結構；最后，基于有限元模型分析了設計方案額定負載下的電磁轉矩、齒槽轉矩與三相電流。研究結論將為攪拌機的永磁電機設計提供理論支持。

1 拓撲結構

根據攪拌機的工作要求，所需要的IPMSM額定功率為45 kW，轉速為1500 r/min?；诠β逝c轉速的要求，IPMSM電樞繞組選擇傳統疊繞組結構，并采用分布短距方式。電機的極數可以選擇4極或6極，4極時極距大，繞組端部長且定子轉子軛部易飽和；6極時能夠降低繞組端部和定子轉子軛部高度，因此在相同的空間范圍內，定子的高度可以減小，從而氣隙面積增大，獲得更高的效率與轉矩密度，因此IPMSM設計為6極結構，三相電樞繞組為雙層短路繞組，并采用定子斜槽方式。

轉子采用單層的磁極結構，包括一字形、V形、U形與W形四種結構，如圖1所示。四種結構的定子完全相同，軸徑也相同，也就是所轉子的內外徑是保持不變的，其結構參數如表1所示。為了簡化模型，在電磁分析中轉子沒有設置通風孔。

圖1 設計的四種IPMSM結構

表1 IPMSM結構參數

2 方案設計

基于Easimotor軟件的等效電路模型，可以完成以上三種IPMSM的設計，圖2顯示了計算流程。

圖2 基于等效電路的IPMSM設計

首先輸入IPMSM的容量、轉速、運行溫度等設計要求，然后輸入定子結構，包括鐵心沖片與定子繞組，四種IPMSM采用相同的定子結構，接著在程序里面選擇轉子拓撲結構，設置永磁體位置，盡量使得永磁體接近于氣隙部分，然后逐步計算永磁體用量從少到多(不同永磁體永磁高度與寬度)時的電機性能，直到效率與功率因數滿足設計要求，就可以獲得所需要的方案。

在計算程序中，也可以把永磁體的高度與寬度設置為參數化變量，同時設置好掃描范圍，程序將得到一批計算結果，可以從中選擇符合設計要求且永磁體用量最小的方案。

表2顯示了計算結果。由表可見，U形IPMSM的性能更優，其永磁體用量小，效率與功率因數都稍高，但過載倍數稍小。需要說明的是，效率計算主要包括了鐵耗、銅耗和設置的軸承摩擦損耗，沒有包括通風損耗，所以效率值偏高。實際應用系統要求效率大于93.2%、功率因數大于0.9，因此，四個方案都能滿足性能指標的要求，但是U形結構性能最優，所以選擇其為最后的設計方案。

表2 IPMSM結構參數

3 磁場分布與轉矩波動

磁路法設計基于等效電路，不能計算電機的磁場分布以及轉矩波動，而這個兩者對電機設計也很重要，因此需要通過有限元模型進行進一步的分析。

在Easimotor的磁路計算中，可以直接建立2D有限元分析模型，包括空載與負載。在空載模型中，轉子轉速為額定轉速，定子三相繞組開路，可以計算得到三相空載反電動勢與齒槽轉矩；在負載模型中，施加額定電壓，定子電流保持為額定電流，可以計算得到額定負載時的磁場分布與額定電磁轉矩。

3.1 空載性能

圖3顯示了計算得到空載情況下的磁場分布與反電勢。由圖可見，空載時只有磁橋部分處于飽和狀態，齒磁密與額部磁密都在允許范圍內。

圖3 空載磁場圖

圖4顯示了三相反電勢。從波形看，基本接近與正弦。經過FFT分析，基波有效值為367.3 V，諧波含量最大的是三次諧波，有效值為16.68 V，與基波之比為4.54%，其它的諧波分量都很小，由此可見，反電動勢的諧波分量很小。圖5顯示了空載轉矩，其峰峰值在1.2 Nm以內，跟額定轉矩相比，數值很小。

圖4 空載三相反電勢

圖5 空載齒槽轉矩

3.2 負載性能

圖6顯示了額定電流下的磁場分布，與空載相比，磁路磁密增大，尤其是齒部磁密增大比較明顯，但平均值仍然小于1.5 T。圖7顯示了電磁轉矩波形。由圖可見，電磁轉矩的平均值為286.98 Nm，轉矩峰峰值為16.44 Nm，主要為12次脈動，轉矩脈動為5.729%。

圖6 額定負載下的磁場分布

圖7 電磁轉矩波形圖

顯然，負載時候的轉矩波動比空載時候大很多，這就因為電樞反應磁場的高次諧波分量產生的轉矩脈動。由圖1可見，定子繞組極距為6，節距為5，分布短距接法削弱了5,7磁諧波，最大的諧波分量為11,13次，這兩個高次諧波都將引起12次的轉矩脈動。

4 結 論

本文針對發電廠輔機系統的攪拌機設計了一種高效永磁同步電機。首先分析了攪拌機的運行需求，設計了初步方案，在此基礎上基于Easimotor軟件設計了滿足效率與功率因數的四種轉子結構，對比分析了轉子結構對電機性能的影響，結果表明U形轉子結構具有性能好、永磁體用量小的優點。最后，采用有限元進一步分析了U形轉子結構PMSM，重點分析了空載與負載下的轉矩波動，分析顯示齒槽對負載轉矩波動的影響較小，主要是由電樞磁場的高次諧波引起的，其轉矩波動在5.729%。分析表明，U形轉子PMSM滿足攪拌機的應用需求。