北京永光高特微電機有限公司
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表面一內置式永磁同步電機優化設計

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摘要:針對表面-內置式永磁同步電機因齒槽轉矩存在的轉矩波動大、噪聲和振動等缺點,提出一種通過改變定子槽型的優化齒槽轉矩轉矩波動和空載反電勢波形的方案。采用有限元法建立表面-內置式永磁同步電機仿真模型,分析了改變定子槽型對電機齒槽轉矩轉矩波動和空載反電勢的影響。對比分析有限元計算結果,該方案可削弱齒槽轉矩減小轉矩波動和優化空載反電勢波形。

0引言

表面-內置式永磁同步電機(以下簡稱SIPMISM),綜合了表面式和內置式永磁電機的優點,減小漏磁,省去隔磁橋,提高機械強度,擁有較高的過載能力。然而在SIPMSM中,永磁體與有槽電樞鐵心相互作用產生齒槽轉矩,進而產生振動和噪聲。因此對于齒槽轉矩的研究一直都很受關注一。采用解析法與有限元法相結合的方法研究槽口寬度對內置式永磁電機齒槽轉矩的影響。先確定對齒槽轉矩有影響的氣隙磁導平方的傅里葉分解次數,再計算槽口寬度變化對氣隙磁導平方的傅里葉分解次數的影響,最終確定最佳槽口寬度。該方法既確保了結果的準確性,又減少了計算時間?;趩蝹€槽口和一-個磁極中心產生的齒槽拉力的移相疊加模型,采用有限元分析永磁電機的齒槽轉矩與槽口寬度的關系。在特定槽口寬度下疊加的轉矩會互相抵消并發生周期畸變的情況,這樣能使轉矩最小化。提出了采用磁極形狀、極弧系數組合、等半徑磁極靜態偏心、極數和槽數配合等方法減小齒槽轉矩。具體分析了定子開焊槽對永磁電機空載反電勢的影響,并研究了焊槽的不同位置對反電勢的影響,提出優化焊槽尺寸和選擇合理的焊槽數量的方案。本文對SIPMSM進行優化設計,通過改變定子槽型削弱齒槽轉矩降低轉矩波動降低空載反電勢諧波含量,提高電機的工作性能。通過有限元仿真,驗證該優化設計的合理性和正確性。

1 SIPMSM的結構及參數
SIPMSM采用表面-內置式永磁轉子結構,表面式永磁體具有引導磁通和聚磁的效果,使得該電機漏磁少,內置式永磁體周圍無漏磁磁通,表面式永磁體與轉子鐵心之間有少量漏磁,又由于表面式永磁體與內置式永磁體形成磁路上的串聯關系,因此SIPMSM有效磁通較高。

2 有限元仿真

2.2 SIPMSM仿真結果
通過仿真可得SIPMSM額定狀態轉矩如圖3所示。一個齒距上的齒槽轉矩如圖4所示,空載反電勢如圖5所示。

由以上計算結果可知,SIPMSM轉矩波動大、齒槽轉矩大、空載反電勢諧波含量大,因此需要對SIPMSM的定子槽型進行優化。

3 SIPMSM定子槽型優化

影響永磁電機的輸出性能有兩種轉矩:種是由定子磁動勢諧波與轉子磁場諧波相互作用產生的紋波轉矩;另一種是由于永磁體與定子齒之間相互作用力產生的齒槽轉矩。所以只要削弱齒槽轉矩就可以改變SIPMSM的特性。因為齒槽轉矩是永磁體與定子齒之間的靜態力,所以本文采用閉口槽代替半閉口槽可有效減小齒槽轉矩?,F在采用閉口槽也很方便嵌線,目前有一種加工工藝是將定子做成兩個部分,一部分為定子軛,另一部分為定子齒。先在定子齒部分繞好線,然后再與定子軛直接扣接起來,方便嵌線。閉口槽型如圖6所示。
為了對比分析不同槽口型的不同槽口拱高變化對SIPMSM的影響,使用有限元法仿真計算了SIPMSM不同槽口拱高時,SIPMSM的齒槽轉矩、平均轉矩、反電動勢。分別為尖口型閉口槽和平口型閉口槽的齒槽轉矩,并分別與半閉口槽的齒槽轉矩進行對比。

尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,齒槽轉矩峰值隨之減小,相對齒槽轉矩下降逐漸增大。平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,齒槽轉矩峰值隨之減小,相對齒槽轉矩下降逐漸增大。對比可知,尖口型閉口槽和平口型閉口槽在拱高0.4mm,尖口型閉口槽齒槽轉矩峰值比平口型閉口槽的小0.28N.m,相對齒槽轉矩下降比平口型閉口槽下降10.37%,優化效果更突出。

SIPMSN尖口型閉口槽和平口行閉口槽的平均轉矩和轉矩波動以及各自和半閉口轉矩波動對比。

可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,平均轉矩和轉矩波動隨之減小,相對轉矩和相對轉矩波動逐漸增加。當尖口型槽口拱高為0時,平均轉矩下降的幅度最小和轉矩波動下降最多??芍?/span>,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,平均轉矩和轉矩波動是減小的,相對轉矩和相對轉矩波動是逐漸增加的。綜合平均轉矩和轉矩波動考慮,當平口型槽口拱高為0.3 mm時的效果是最好的。對比表4和表5可知,對于同樣的槽口拱高,尖口型閉口槽的轉矩波動要比平口型閉口槽小,但平均轉矩比平口型閉口槽大。對于有個別轉矩波動不符合減小的趨勢是因為它們的齒槽轉矩大小不同引起的。
SIPMSM三種槽型的齒部磁密,有半閉口槽齒部磁密、尖口型閉口槽齒部磁密和平口型閉口槽齒部磁密。

可知,半閉口槽齒部磁密很小,幾乎沒有漏磁。尖口型閉口槽和平口型閉口槽的齒部磁密都比較大,尤其是槽口拱高處的磁密。尖口型閉口桃和平口型閉口槽漏磁較多,導致平均轉矩降低。這就是尖口型閉口槽和平口型閉口槽平均轉矩減小的原因。雖然平均轉矩有所降低,但轉矩下降的比率較小,而轉矩波動下降的比率較大。比如當采用尖口型閉口槽拱高為0時,平均轉矩下降0.07% ,轉矩波動下降14. 36%。因此本文采用閉口槽可以改善SIPMSM的性能。
SIPMSM尖口型閉口槽、平口型閉口槽和半閉口槽的空載反電勢基波有效值及諧波含量對比。

由對比可知,尖口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,空載反電勢基波有效值隨之減小,諧波含量基本不變。由表7可知,平口型閉口槽隨著槽口拱高的增加,空載反電勢基波有效值隨之減小,諧波含量基本不變。對比表6和表7可知,兩種槽型與半閉口槽空載反電勢基波有效值相比差別不大,但諧波含量有所下降,尖口型閉口槽諧波含量減小比平口型閉口槽明顯。當拱高為0.5 mm時,尖口型閉口槽相對諧波含量下降比平口型閉口槽大5.31%。

4結語

本文采用有限元法計算了不同定子槽型的不同拱高對SIPMSM的影響,對比分析槽轉矩、轉矩波動和空載反電勢優化前的槽轉矩時,的結果得出以下結論:,采用拱高都為0.8mm
(1)
在削弱齒的尖口型閉口槽和平口型閉的,齒槽轉矩峰值都為0.23 N.口槽的優化效果是相同m,齒槽轉矩峰值都降低了1:8%,因此兩種槽塑都可以用。餐節(2)在降 低轉矩波動時,,綜合考慮平均轉矩和轉矩波動兩項指標,拱高為0時的尖口型閉口槽優化效果最好,平均轉矩為43.43N.m.轉矩波動下降14. 36%。拱高為0.3mm的平口型槽口時的效果是最好的,平均轉矩為41.71N.m,轉矩波動下降10.09%。因此采用拱高為0時的尖口型閉口槽。合科(3)在優化空載反電勢時,綜合考慮空載反電勢基波有效值和諧波含量兩項指標,拱高為0.1 mm的尖口型閉口槽優化效果最好,空載反電勢基波有效值為189.63 V,諧波含量下降12. 49% ;拱高為0.1 mm的平口型閉口槽優化效果最好,空載反電勢基波有效值為187. 53v,諧波含量下降10.07%。因此采用拱高為0.1 mm的尖口型閉口槽。
    綜合不同定子槽型的不同拱高對SPISA西神轉矩、轉矩波動和空載反電勢的影響,平口理用口物沒有尖口型團口槽優化效果好,而拱高為0.2 mm換等方面都具有很好的參考價值和指導意義。


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