實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙長度與性能研究
喬嗚忠，張曉鋒
(海軍工程大學(xué)，湖北武漢430033)
摘要：采用有限元法計(jì)算了實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同的氣隙長度條件下的氣隙磁密、空載反電動(dòng)勢(shì)、功率因數(shù)、效率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在計(jì)算過程中考慮了定轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)及定子斜槽等因素；22 kw實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)氣隙長度對(duì)氣隙磁密、空載反電勢(shì)、功率因數(shù)、效率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均有較大的影響。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；實(shí)心轉(zhuǎn)子；氣隙長度；功率因數(shù)；效率
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)04—0012一03
O引 言
實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)與實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)類似，他們的定子結(jié)構(gòu)均與普通異步電動(dòng)機(jī)相同，而轉(zhuǎn)子為實(shí)心鐵磁圓柱體內(nèi)嵌入永磁體。整個(gè)電機(jī)與其他類型永磁電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子的機(jī)械可靠性高；起動(dòng)性能好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大而起動(dòng)電流小，特別適合于重載起動(dòng)；由于電機(jī)運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子鐵心的渦流損耗大幅降低，克服了實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。該類電機(jī)已在油田游梁式抽油機(jī)中得到應(yīng)用。
實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)是在異步電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)，即采用異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座(包括定子沖片)，經(jīng)過計(jì)算，選定氣隙長度，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子尺寸。因此，電機(jī)氣隙長度的選取顯得極為重要，為此，需要直接進(jìn)行電機(jī)電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算和分析[1-3]。本文采用有限元法對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在計(jì)算過程中考慮了定轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)及定子斜槽等因素，分析、計(jì)算了實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)不同的氣隙長度與氣隙磁密、相反電動(dòng)勢(shì)、功率因數(shù)、效率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，最后對(duì)一臺(tái)自行設(shè)計(jì)的22 kw實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。
電機(jī)電磁場(chǎng)的計(jì)算一般歸結(jié)為某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必須結(jié)合具體問題的特定邊界條件才能獲得****的解答。求解的過程較為復(fù)雜，考慮到實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)精度高的要求，本文采用有限元法對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
如圖l所示，一對(duì)極內(nèi)穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)問題可表示成邊值問題：
式中：Ω為求解區(qū)域，s2為第二類邊界，L為電機(jī)內(nèi)各媒質(zhì)分界線。
剖分單元采用了精度較高的曲邊四邊形，它的邊可以不是直線。在單元內(nèi)任一點(diǎn)的磁位A，可以認(rèn)為是該單元的四個(gè)節(jié)點(diǎn)磁位的函數(shù)，因此可以構(gòu)成一個(gè)磁位插值函數(shù)[1]。對(duì)式(1)進(jìn)行求解，可以
得到電機(jī)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的矢量磁位值A(chǔ)z，進(jìn)而，可獲得電機(jī)內(nèi)各點(diǎn)的磁密和相繞組電勢(shì)。
電機(jī)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的磁密可表示為：
一個(gè)電樞繞組線圈邊的一根導(dǎo)體單位長度的平均電勢(shì)可表示為：
式中：Ab為槽面積。如果線圈邊劃分為ne個(gè)單元(有N，匝)，則一個(gè)線圈邊的平均電勢(shì)為：
式中：lef為鐵心有效長度，s為單元面積，i、j、m、n為四邊形單元的節(jié)點(diǎn)號(hào)，各繞組的電勢(shì)都是由線圈邊電勢(shì)組成的，所以可得相繞組電勢(shì)：
由式(5)可知，相繞組電勢(shì)與電樞長度、匝數(shù)及電機(jī)磁場(chǎng)有關(guān)。
2定轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)及定子斜槽處理
定轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)采用運(yùn)動(dòng)氣隙邊界法，其實(shí)質(zhì)是在靜止的定子部分采用靜止坐標(biāo)系，在轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子部分采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，分別列出方程，利用運(yùn)動(dòng)氣隙邊界將靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分連接起來，以得到整個(gè)區(qū)域的解[5]。
在中小型電機(jī)中，為了削弱定子繞組的齒諧波電勢(shì)，常采用定子斜槽的措施，用路的方 |
