迫 乙与档制应用２０１１，３８（４） 研究与设计ｉ￡ Ａ 转子导体内置式永磁同步电机的设计与性能研究 王 抗， 邓先明， 张志国 （中国矿业大学信电学院，江苏徐州 ２２１ ００８） 摘要：针对面贴式永磁同步电机结构和性能进行研究，目前面贴式永磁同步电机的转子结构上没有起 动绕组，永磁电机的运行严重依赖于变频器，改进电机的转子设计可以使得永磁同步电机具有自起动能力。 对电机转子永磁体分布结构进行改进将提高电机的稳态性能，提高永磁电机的过载能力。提出了一种每极永 磁体集中分布，具有异步自起动能力的新型永磁电机转子结构。设计了一台中等功率的永磁同步电机，利用 有限元仿真软件ＡＮＳＹＳ对不同转子结构的永磁同步电机的稳态性能进行了计算与分析，证明了优化后的转 子结构具有良好的稳态功角特性，电机具备了一定的异步白起动能力。 关键词：面贴式永磁同步电机；异步自起动能力；有限元分析 中图分类号：ＴＭ ３５１ 文献标志码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２０１１）０４－００１３－０５ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｂｕｉｌｔ．ｉｎ Ｒｏｔｏｒ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＷＡＮＧ Ｋａｎｇ，ＤＥＮＧ Ｘｉａｎ—ｍｉｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｇｕｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２ １ ００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｎｍｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＳＭ—ＰＭＳＭ）ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｓｔａｒｔ ｗｉｎｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＳＭ—ＰＭＳＭ，ｉｔ ｄｅｐｅｎｄｅｄ Ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏＩｌｖｅｒｔｅｒ ｈｅａｖｉｌｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ＳＭ—ＰＭＳＭ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ＳＭ—ＰＭＳＭ ｉｔｓｅｌｆ ｗｏｕｌｄ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｗｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ ｐｅｒ— ｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｏａｄ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＳＭ—ＰＭＳＭ．Ａ ｍｅｄｉｕｍ ｓｉｚｅ ＳＭ—ＰＭＳＭ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆ－ ｆｅｒｅｎｔ ＳＭ—ＰＭＳＭ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｒｏｔｏｒ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ ｈａｄ ａ ｇｏｏｄ ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｇｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｎｅｗ ＳＭ—ＰＭＳＭ ｈａｄ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｅｌｆ－ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｅｌｆ－ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌ－ ｉｔｙ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ０ 引 言 杂性要超过异步电机。大功率传动系统迫切需要 高效可靠的大功率永磁同步电机，但对于该电机的 永磁电机具有结构简单、体积小、质量轻、损 研发，现在还缺少必要的设计方法和实践 。 耗小、效率高、功率因数高、电机形状和尺寸可以 表面式永磁同步电机是结构最为简单的永磁 灵活多样等显著优点，在工农业生产、航空航天、 同步电机，与永磁体内置式永磁同步电机相比，能 国防和日常生活中得到广泛应用。我国稀土资源 够提高转子表面的平均磁密，是目前应用最广泛 丰富，储量占全球的７５％，号称“稀土王国”。大 的一种永磁电机，但是其转子上没有绕组结构，不 力研究和推广永磁电机，实现节能降耗，对提高经 具备异步起动能力，在调速过程中动态响应能力 济效益具有重要的现实意义¨Ｊ。 较差。本文设计出具有起动能力的表面式永磁同 永磁同步电机的设计逐渐成为研究的热点。 步电机的结构，如图１所示。 在永磁电机的结构中，定转子结构和永磁体的安 该电机结构就是在表面式永磁同步电动机的 放形式方法各异，造成的结果就是其分析计算的复 转子铁心内部设置导体，使得电机在起动过程中， 研究与设计ｊ鞋 题 转轴 图１ 转子导体内置式永磁同步电机结构图 可以利用导体绕组形成的笼型绕组产生异步转 矩，从而实现异步起动。它无需变频器即可直接 由工频电源起动，有着较高的应用前景。 １ 电磁设计 １．１主要尺寸比的选择 由于永磁同步电机内部要放置永磁体，因此 要尽可能选择小的主要尺寸比，使转子的径向尺 寸较大，从而提供较大的空间来安放永磁体…。 １．２电机气隙尺寸的选择 对于永磁同步电机来说，电机的气隙长度对 其性能的影响没有异步电机那么强烈，电机的功 率因数可以通过调整永磁体的用量来改变。为了 便于安装永磁体，也希望电机的气隙能够大一些， 因此相比于异步电机，气隙的宽度可以稍稍放大 ０．１～０．２ ｍｍ［ １．３电机定转子的设计 定子的槽型和尺寸对电机的漏抗、槽满率、齿 部磁密、轭部磁密和机械强度都有着较大影 响 Ｊ，所选择的定子槽型，其槽满率要合适，齿部 磁密和轭部磁密要适当，同时要满足电机定子结 构的机械强度。在综合考虑了这些要求之后，定 子槽选择了已经得到广泛应用的梨型槽 Ｊ。 转子槽的选择要综合考虑电机的起动性能、 牵入同步性能、齿部磁密、轭部磁密和转子机械强 度等。笼型是电机转子机械强度的重要保证，但 是由于该永磁电机的转子槽分布于永磁体之下， 如果电机的端环面积小，易于出现断条等故障。 由于电机转子上附加有永磁体，电机的转子 不能斜槽，故可以考虑在电机的定子上采用斜槽 措施来减小电机的杂散损耗，也将减少电机的噪 声和振动，提高电机运行的平稳性。 １．４永磁体设计 本文设计的永磁同步电机，其永磁体的形状 １４一 迫札与才宜帚Ｊ应ｌ习２０１１，３８（４） 为矩形，在设计过程中主要考虑的是每极永磁体 的总宽度和永磁体的充磁方向厚度。 在永磁体用量尽可能少的情况下，应当保证永 磁体无论工作在何种恶劣的条件之下，不会发生永 久性的不可逆去磁，保证永磁体在稳态运行时有合 理的工作点。由于永磁体充磁方向的长度会影响 电机的直轴磁阻，在设计时应考虑到这一点。 每极永磁体的宽度决定了每极永磁体产生的 磁通量，从而影响了每相绕组的感应电动势，应使 得永磁同步电机每相绕组的感应电动势小于并接 近于外加相电压，同时保证电机磁密处于一个合 理的范围之内。 １．５电机的详细参数 电机详细参数如下：电机额定功率Ｐ ＝ ３０ ｋＷ；相数ｍ＝３；额定线电压Ｕ ．＝３８０ Ｖ；额定 频率．厂＝５０ Ｈｚ；极对数Ｐ＝２；额定效率叼 ＝９８％； 额定功率因数ｃｏｓ ＝０．９５；额定转速ｎ ＝ １ ５００ ｒ／ｒａｉｎ；额定电流， ＝４８．９６ Ａ；额定转矩 Ｔ ＝１９０．９８ Ｎ・１ＴＩ；气隙长度６：０．０７ ｃｍ；定子 外径Ｄｌ＝４３．２６ ｅｍ；定子内径Ｄｉｉ＝２８．５ ｅｍ；转 子外径Ｄ ＝２８．３６ ｅｍ；转子内径Ｄｉ２＝１０ ｃｍ；定 转子铁心长度 ／Ｌ ＝２１ ｅｒａ／２１ ｅｍ；定转子槽数 Ｑ ／ ＝７２／５４；永磁体磁化方向长度ｈ ＝ ０．４２ ｅｍ；永磁体宽度ｂ ＝１８．６ ｅｍ；永磁体轴向 长度ＬＭ＝２１ ｃｍ；定子齿距ｔｌ＝１．２４４ ｃｍ；定子齿 宽ｂ。１＝０．５５０ ８ ｃｍ；定子轭高ｈｉ ＝４．８８ ｃｍ；转子 齿距ｔ２＝１．６５ ｃｍ；转子轭高度ｈｉ２ ７．９３３ ｃｍ；每 槽导体数Ⅳ ＝１４；线径ｄ ＝１．６ ｍｍ；槽满率Ｓ ＝ ７７．７８％；节距Ｙ＝１６；气隙磁密Ｂ８＝０．６６０ １ Ｔ；定 子齿磁密Ｂ ＝１．４９２ Ｔ；定子轭磁密Ｂｉ ＝ １．６１４ Ｔ；转子齿磁密Ｂ ２＝０．８９５ ９ Ｔ；转子轭磁密 Ｂ．２＝１．４５８ Ｔ；定子直流电阻Ｒ１＝０．０３２ ２ Ｑ；转子 折算电阻Ｒ ＝０．０８２ ２６ Ｑ；定子漏抗Ｘ ＝ ０．１１５ １６ Ｑ；转子漏抗Ｘ２＝０．１３９ ９ Ｑ；直轴同步 电抗Ｘｄ＝２．２６２ ｎ；交轴同步电抗Ｘ。＝５．９７５ Ｑ； 铁耗Ｐ ：０．９９３ ｋＷ；杂散损耗Ｐ ＝０．２３１ ９ ｋＷ； 失步转矩倍数 Ｏ＝２．１４８。 ２ 结构优化设计及有限元仿真 ２．１转子及永磁体结构的研究 相比于矩形永磁体，瓦片型永磁体的制造较 为困难，其充磁的难度也较大，如果利用平行充磁 迫札与才望刮应用２０１１，３８（４） 研究『ｊ没计ＥＭＣＡ 的矩形永磁体代替径向充磁或是Ｈａｌｂａｅｈ充磁的 永磁体，而使得电机的性能达到设计要求，将简化 电机的生产制造，降低电机的成本，提高永磁电机 的市场竞争力，有利于永磁电机的推广使用。 依据前文所述的永磁同步电机设计技术参 数，每极下的永磁体宽度ｂ ＝１８．６ ＣＩ＇ＩＩ，对于本文 分析的电机而言，假设电机转子的每个磁极由一 个永磁体构成，即电机每极下采用一块长、宽、高 为２１ ＣＩＩＩ×１８．６ ｔｉｌｌ×４．２ ｃｍ的永磁造，所获 得的转子结构如图２所示。 （ａ）气隙磁密分布 ＼ ｉ型 稍 整 ２每极 一永磁体电机结构 电机的空载磁场是实现机电能量转换的基 础，其大小和分布直接决定了 载磁场每极基波 （ｂ）气隙磁密谐波分析 ３ 每饭 一永磁体电机气隙磁密 磁通值的大小 ，进而对电机的转矩、效率及工 作特性等起着决定性的作用。 利用有限元软件町以对该电机进行建模和仿 真，利用Ｐａｔｈ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ命令可以获取转子气隙磁 场的磁通密度分布结果，并通过Ｌｉｓｔ文件将其值 导入ＭＡＴＬＡＢ软件，对其进行傅里叶分析处理， 其结果如图３（ａ）和３（ｂ）所示。 ０ ０ 图４每极两段式与■段式永磁体ｌ乜机 构图 由以 气隙磁密分布可知，该电机结构转子 形。此时电机气隙磁密的平均值提高为０．６３７ Ｔ， 基本达到了设计值。 进一步提高电机每极下永磁体段数，可以进 一的气隙磁密值过低，远低于预期值Ｂ ＝０．６６ Ｔ， 由电机气隙磁密谐波的分析可知，其基波的含量 不足，而对电机运行有害的喈波含量很高，以上问 步提高电机的性能，但是提高的幅度有限， 且 能的情况下，选择每极下永磁体的段数为３段。 题的产生在于电机永磁体面对的气隙宽度太大， 减小气隙的宽度，就能提高电机的性能。也就是 增加了电机制造的难度，在基本满足电机设计性 ２．２转子结构的优化设计 说要使得电机的转子铁心尺寸尽可能占据定子内 部的空间。在该思路下，将每极的永磁体分为相 分析该转子的气隙谐波磁场，气隙磁密波的 ３次、５次、１１次谐波的含量较高。对于５次谐 波，在电机设计中，可以通过定子斜槽的方法来消 同的两段或更多段，并且尽量减小电机的气隙宽 度，对于不同的转子结构进行有限元建模与仿真， 并分析其气隙磁密的分布，结果如图４～图６所示。 随着电机结构中每极下永磁体段数的增加， 每一段永磁体所面对的气隙宽度逐渐减小，电机 气隙的平均气隙磁密得到了提高。电机结构中每 极下永磁体的个数为３时，转子的形状为正１２边 除，但是对于电机气隙磁密中的３次谐波，却没有 控制上的有效手段将其消除，需要对电机的转子 结构进行改进。 改进电机气隙磁密波形的思路是降低波形两 侧的磁通密度值，或者是提高波形中心处的磁通 研究与设计 鞋髓 鼹 电弗乙与粒１｛；．Ｊ应闭２０１１，３８（４） ２５ 图５ 每极两段式与三段式永磁体电机气隙磁密分布 ＿ ＼ 罂 懒 攫 ＼ 迥 罂 稍 挺 图６每极两段式与三段式永磁体电机气隙磁密谐波 密度值，使得电机气隙磁密波形中的基波含量得 以提高，并对其中的三次谐波产生抑制作用，如 图７所示。 对于连续分布的永磁体而言，其一极下中间 段的永磁体不会出现分布于一极下两侧永磁体所 必然出现的漏磁现象，即两侧永磁体所产生的磁 １６一 注：Ｂ一磁密；Ｂ 一磁密平均值；曰 一磁密基波值； Ｂ，一磁密三次谐波值；ｒ，一节距。 图７矩形波谐波含量改善示意图 通密度将由于漏磁的原因而低于中问段的永磁体 所产生的磁通密度，这正是所希望达到的效果。 所设计的新电机结构如图８所示，为每极永磁体 集中式同步电机。 图８ 每极永磁体集中式ｌ司步电机结构图 对于该特殊结构的永磁体面贴式同步电机， 最令人关心的问题就是其空载气隙磁密分布是否 能够有所改善。利用ＡＮＳＹＳ软件对此转子结构 进行了建模与仿真。 对比分析每极三段式永磁体同步电机和每极 永磁体集中式同步电机的气隙磁密谐波结果，如 图９和图ｌ０所示，其中的高次谐波分量得到了很 大程度的抑制，９次以上谐波的含量大大减少了。 图９每极永磁体集中式同步电机气隙磁密分布 迫札与柱刮应用２０１１，３８（４） ＼ 趔 罂 稍 攫 图１０每极永磁体集中式同步电机气隙磁密谐波 气隙磁密基波的含量有了一定的增加，其值 提高了４．０３％。同时，３次谐波的含量减少了 １２．１２％，５次谐波的含量减少了３４．４８％，电机转 子气隙的磁密分布有了显著改善。 ３ 新电机功角特性 利用传统的路的计算方法，可以计算出不同 功角之下的电机转矩。永磁同步电机的转矩为 ｍｐＵＥｏ：— 一 ）ｓｉｆ１ ２０ ￣．ＯｓＡ ｄ ＿＿ｓｉｎ ＋ （ｓ ／ ０ Ａｄ 其中的许多系数需要利用电磁计算和试验得 出。永磁电机的磁路结构非常多样，当进行新结 构的电机设计时，路的方法就难以满足计算精度 的要求，这时就需要用电磁场数值计算的方法来 研究电机的性能。 电机作为一种机电能量的转换装置，其工作 时的输出转矩是一个重要的量。利用ＡＮＳＹＳ软 件，可以直接利用虚功力方法获得电机在不同功 角下的输出转矩，结果如图１１所示。 ｇ ＼ 薄 ． 图１ １ 不同永磁电机功角特性曲线的比较 由功角特性曲线可以证明新转子的优势，在 使用相同量的永磁材料的情况下，永磁电机在额 定工作点的输出转矩达到了３２３．４６３０ Ｎ・ｎｌ，远 远超过了理论计算值１９０．９８ Ｎ・ｍ。新电机在整 个工作范围内的输出转矩都超过了或达到了理论 研究与设计§ＥＭＣＡ 设计值。 由永磁同步电机的转矩表达式可知，电机的 电磁转矩是由两个部分组成的，一是由永磁磁场 和定子磁场相互作用产生的基本电磁转矩，称为 永磁转矩；二是由于交轴和直轴磁阻不等而引起 的磁阻转矩。 对于每极永磁体集中式同步电机而言，由于 永磁体集中分布，造成了电机交轴和直轴磁阻相 差较大。由于永磁同步电机的直轴电抗小于交轴 电抗，电磁转矩的最大值相对应的功角将会大于 ９０。，分析新电机功角特性曲线，本文电机的最大 输出转矩出现在超过１００。的位置，这与理论计算 的结果１１８．ｏ基本吻合。 在整个功角特性的范围内，新电机的转矩都 有了明显提高，这是气隙磁密基波含量提高的必 然结果。由于电机结构的改变，还附加了一个额 外的磁阻转矩，磁阻转矩的产生有利于提升永磁 同步电机的过载能力，使得电机获得一个更大的 失步转矩。 ４ 结 ‘语 本文依据常规异步电机的设计方法，结合永 磁电机的特点，设计了一台３０ ｋＷ、具有自起动能 力的面贴式永磁同步电机，对于电机的转子永磁 体安放结构进行了优化设计，通过仿真，验证了优 化设计的有效性。永磁电机的功角特性对于永磁 传动系统的性能有着决定性的影响，本文利用有 限元软件ＡＮＳＹＳ获取了不同结构电机的功角特 性，证明了新转子永磁电机的良好性能，并且该电 机具备了普通面贴式永磁同步电机所不具备的异 步起动能力。 【参考文献】 ［１］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，１９９７． ［２］李钟民，刘卫国．稀土永磁电机［Ｍ］．北京：国防工 业出版社，１９９９． ［３］ 赵强，赵争鸣，高徐娇．永磁电机中永磁体的尺寸优 化设计［Ｊ］．电机电器技术，２００１（３）：２－５． ［４］ 陈世坤．电机设计［Ｍ］．２版．北京：机械工业出版 社，１９９０． ［５］ 胡敏强，黄学良．电机运行性能数值计算方法及其 应用［Ｍ］．南京：东南大学出版社，２００３． 收稿日期：２０１０—１２～１４ —１７—
