場(chǎng)路結(jié)合法設(shè)計(jì)分析內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)
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(chǎng)路結(jié)合法設(shè)計(jì)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算承磁同步電動(dòng)機(jī)電磁系數(shù)，針剝15 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，計(jì)算與分析樣機(jī)的交直軸電樞反應(yīng)電抗，并對(duì)氣隙和永磁體磁化方向長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)陛能的影響進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：水磁同步電動(dòng)機(jī)；有限元分析；場(chǎng)路結(jié)合法
中圖分類(lèi)號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)01—0025—03
0引 言
我國(guó)是稀土大國(guó)，稀土儲(chǔ)量約占世界的百分之80，研究和開(kāi)發(fā)高效稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，可大面積推廣應(yīng)用我國(guó)資源豐富的釹鐵硼永磁材料，可促進(jìn)一些重工業(yè)行業(yè)電機(jī)拖動(dòng)方面的節(jié)能改造，改變目前我國(guó)電能浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)狀，帶來(lái)可觀的節(jié)能效果和顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)取消了勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和勵(lì)磁柜，與普通電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，不僅提高了可靠性和免維護(hù)性，其效率也有了較大提高；與異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)替代電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和普通異步電動(dòng)機(jī)，具有很大的實(shí)際意義。
由于永磁同步電動(dòng)機(jī)中使用的永磁體形狀多種多樣，給電機(jī)設(shè)計(jì)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(lái)較大的難度，因此，這些系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)十分重要。目前在計(jì)算這些參數(shù)時(shí)，常用的計(jì)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(chǎng)路結(jié)合的方法，通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)合等效磁路法對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
1基于ANSYS永磁同步電動(dòng)機(jī)模型的建立
本文在同類(lèi)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)尺寸基礎(chǔ)上派生設(shè)計(jì)15 kW稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，這是一個(gè)具有整體轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，如圖1所示。永磁體采用內(nèi)置徑向式，樣機(jī)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(zhǎng)L 1=190 mm，磁鋼性能指標(biāo)：剩磁密度B r=1.07 T，計(jì)算矯頑力H c=817 25 kA／m： 2永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算方法
同有限元方法相比，等效磁網(wǎng)絡(luò)法沒(méi)有有限元計(jì)算精確，計(jì)算誤差主要產(chǎn)生于下述兩點(diǎn)：
(1)它不能精確表示出齒槽對(duì)氣隙磁密分布的影響,計(jì)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(shí)際齒的各個(gè)部分飽和程度相同，必須對(duì)齒進(jìn)行細(xì)分，等效為多個(gè)磁導(dǎo)．
本設(shè)計(jì)采用了場(chǎng)路結(jié)合的方法，通過(guò)有限元分析軟件ANsYs對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，得出空載漏磁系數(shù)、計(jì)算極弧系數(shù)和氣隙波形系數(shù)等，結(jié)合等效磁路法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，具有較高的精度。下面就對(duì)這些系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行介紹：
2．1空載漏磁系數(shù)
空載漏磁系數(shù)是指電動(dòng)機(jī)空載時(shí)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(duì)電動(dòng)機(jī)中永磁材料抗去磁能力和電動(dòng)機(jī)的性能也有較大的影響。通常的解析法計(jì)算漏磁系數(shù)誤差較大：本文首先建立ANsYs樣機(jī)模型，然后分別選擇永磁體與氣隙路徑進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，算出空載漏磁系數(shù)  圖2顯示了ANsYs中樣機(jī)模型的空載磁力線分布。 2.2計(jì)算極弧系數(shù)
極弧系數(shù)α i的大小決定于徑向磁場(chǎng)沿圓周的分布。對(duì)于永磁電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)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(guò)ANsYs分析可以得出的樣機(jī)中空載氣隙磁密波形如圖3所示，進(jìn)而分別對(duì)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)  |
