一种确定永磁同步电动机最佳极弧系数组合的方法

谭耿锐，方超，黄信，杜晓彬

(广东工业大学，广东广州510006)

一种确定永磁同步电动机最佳极弧系数组合的方法

谭耿锐，方超，黄信，杜晓彬

(广东工业大学，广东广州510006)

为削弱永磁同步电动机的齿槽转矩，提出一种不同极弧系数组合的方法。根据齿槽转矩表达式定性分析了极弧系数对齿槽转矩的影响，以48槽8极表贴式调速永磁同步电动机为例，建立Maxwell 2D模型，给出优化极弧系数和调整极弧系数组合的方法，利用有限元法对不等极弧系数组合进行建模分析。结果表明，合适的选择极弧系数进行组合可明显地削弱齿槽转矩。为调速永磁同步电动机的优化提供一定的参考。

极弧系数；有限元法；齿槽转矩

0 引言

调速永磁同步电动机结构简单、效率高、体积小等优点，已在各领域得到了广泛的使用，现在国内外集中对转子结构的研究来进行调速永磁同步电动机的设计与优化[1]。

在永磁电机中定子齿槽与转子永磁体产生的齿槽力矩产生谐波，降低电机性能[2]。在大功率电动机受到其影响更大。所以，研究优化齿槽转矩在大功率性能高的永磁同步电动机设计中显得格外重要。其中，齿顶开槽和辅助槽偏移进行的研究，找出了最佳辅助槽尺寸和偏移角度进行优化[3]。基于磁极偏移削弱电动机齿槽转矩的探讨，研究了磁极角度最佳偏移的一种计算方法[4]。这些研究方法理论上能很好地使齿槽转矩减弱，但其实际应用较复杂，所以在实际工程中较少采用。

本文通过使用有限元软件ANSYS 2D模块，进行参数变量的方法确定削弱齿槽转矩永磁体最佳不相同极弧系数的组合。采用一款电动汽车用调速永磁同步电动机的主要参数，采用基于有限元计算的参数变量的方法进行分析，利用所得最佳不同极弧系数组合和其他电动机参数，经测试并检测其各项性能，均达到要求。

1 电机主要参数与模型

本文研究的是一台调速永磁同步电动机进行。表1所示的是该调速永磁同步电动机主要参数。图1为该调速永磁同步电动机的模型。

表1 电动机主要参数

图1 调速永磁同步电动机模型

在Maxwell 2D建立模型并进行有限元计算，定子和转子均选用DW470-50冷轧硅钢片材料。

2 原理分析

假设该调速永磁同步电动机电枢铁心的磁导率为无穷大，则转子永磁体的场能与气隙的场能的总量等于此永磁同步电动机所存的总能量[5]。可表示

(1)

式中，μ0—真空磁导率系数；Br2(θ)—永磁体的剩磁；g(θ,α)—空气隙有效长度排布；hm—磁极厚度。

图2 Br(θ)分布图

(2)

(3)

齿槽转矩的表达式为磁场能W对转子旋转角α的负导数

(4)

将式(1)、式(2)、式(3)代入上式中，可得极弧系数优化组合后的齿槽转矩表达式

(5)

式中，n—使nz/p为整数的整数。

从式(5)可以看出，Br2(θ)对齿槽转矩有较大的影响，但只有nz/p次傅里叶分解系数才会影响齿槽转矩。可通过不等极弧系数的组合来减小nz/p次傅里叶系数来减小齿槽转矩。

3 确定最佳极弧系数组合

使用有限元软件2D模块的参数变量进行分析的方法，设极弧系数为变量，计算分析找出一个最佳的不等极弧系数的组合可以一定限度地优化齿槽转矩[5]。

组合不同极弧系数的优化方法：在如图3中所示的调速永磁同步电动机1/4截面模型结构图中调整极弧系数αp1和αp2大小。原始磁极的极弧系数αp1和αp2大小均为0.84。

图3 磁极不等极弧系数组合

设置ANSYS软件中的Optimetrics选项进行变量扫描，设置极弧系数的大小αp1和αp2为变量。考虑αp1等于αp2的组合，取极弧系数变量值如表2所示。

表2 极弧系数变量值

在ANSYS中设计模型并对电机转子磁极的极弧系数组合的参数进行变量的仿真。有限元的计算结果如图4所示。

图4 齿槽转矩扫描曲线图

图4为各极弧系数组合的齿槽转矩图，从中知，最理想的是曲线7，极弧系数为(0.68,0.84)的组合。图5为选择极弧系数最优组合后与优化前的齿槽转矩。在图5中可以得出时，进行最优组合后齿槽转矩仅为1.09N·m，为未优化时的14.5%，齿槽转矩明显减弱了。

图5 优化前后齿槽转矩对比

由上述研究可知，使用有限元软件ANSYS设计模型并进行参数变量的方法，可以得到使调速永磁同步电动机的齿槽转矩削弱最大化的最佳不等极弧系数大小的组合。用此方法得到的使齿槽力矩为最小的极弧系数的组合，即为确定该调速永磁同步电动机磁极最佳的不等极弧系数组合。

用所得最佳组合不同大小的极弧系数，进行负载分析。在Maxwell2D中进行有限元仿真，施加额定电压345V，将优化组合极弧系数之后对电机的输出转矩与优化组合前的进行比较分析，如图6所示。

图6 输出转矩曲线

由图6输出转矩曲线可求出，优化组合不等极弧系数前电机的平均输出转矩为713.2N·m，优化组合不得不等极弧系数后为724.7N·m，提高了11.5N·m，优化组合不等极弧系数后的平均输出转矩提高了1.6%。

采用上述方法所得的电机参数进行分析，并对电动机的性能进行测试，得出电动机的测试数据，将其与有限元ANSYS仿真的初始数据进行对比，如表3所示。

表3 优化前后的测试数据对比

分析表3可得，采用最佳组合后的测试值与原始ANSYS有限元计算的相应仿真值误差均在4.5%内，该方法在此款48槽8极电机的应用符合设计要求。

4 结语

基于有限元计算研究一种确定调速永磁同步电机最佳组合不等极弧系数的方法，进行削弱齿槽力矩。对一台电动汽车用48槽8极调速永磁同步电动机试验，进行参数变量确定最佳不同极弧系数的组合。在此优化下，该永磁电机的齿槽转矩值大小降为1.09N·m。结果证明，本文的方法在具有实际意义，为调速永磁同步电动机的优化提供一定的参考。

[1] 李正. 永磁电机的设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2016: 7-8.

[2] 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: 143-144.

[3] 赖文海,黄开胜. 基于辅助槽偏移的单相永磁同步电动机齿槽转矩削弱[J]. 微特电机, 2015,09: 11-14.

[4] 杨玉波,王秀. 磁极偏移削弱永磁电机齿槽转矩方法[J]. 电工技术学报,2006,10: 22-25+61.

[5] 王秀和. 永磁电机[M].北京：中国电力出版社, 2010: 93-95.

A Method for Determining Optimum Pole Arc Coefficient Combination of Permanent Magnet Synchronous Motor

TanGengrui,FangChao,HuangXin,andDuXiaobin

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In order to reduce cogging torque of permanent magnet synchronous motor, this paper puts forward a method of combining different pole arc coefficient. According to the cogging torque expression, the influence of pole arc coefficient on cogging torque is qualitatively analyzed. Taking a surface-mounting adjustable-speed permanent magnet synchronous motor with 48 slots and 8 poles as an example, a Maxwell 2D model is established, and the method of combining optimal pole arc coefficient and adjustable pole arc coefficient is given. The different pole arc coefficient combinations are modeled and analyzed by finite-element method. The result shows that appropriate pole arc coefficient combination can clearly weaken the cogging torque. It can provide some reference for optimization of adjustable-speed permanent magnet synchronous motor.

Pole arc coefficient；finite-element method；cogging torque

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.04

TM351

A

1008-7281(2017)01-0014-004

谭耿锐 男 1991年生；硕士研究生，研究方向为特种电机及其控制.

2016-09-12