三相永磁同步电动机偏心转子结构瞬态分析

刘文辉

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

三相永磁同步电动机偏心转子结构瞬态分析

刘文辉

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

分析和研究了三相永磁同步电动机偏心转子结构的优点。运用Ansoft语言建立了仿真模型。以一台三相永磁同步电动机为例，仿真了偏心转子与整圆转子结构时的电机瞬态过程，并给出了空载反电势、齿槽转矩的瞬态曲线。通过仿真与理论相结合进行分析，得出三相永磁同步电动机采用偏心转子结构后，电机空载反电势及齿槽转矩变化的趋势。

永磁同步电动机；数学模型；偏心转子；瞬态

0 引言

我国电动机保有量约4亿kW以上，年产3600万kW，消耗电能占发电量60%。从节能方面考虑，永磁电动机是一种非常理想的电动机。据电力部门估算，煤炭行业使用的风机、水泵，五六十年代的老设备约占1/3，其自身运行效率只有30%～40%，系统运行效率大约为20%，如用量较大的5kW水泵要用7.5kW电机代替，实际指在3kW左右载荷下运行，使用效率只有38%，造成巨大的能源浪费，这种电机若采用稀土永磁专用电机，电机成本只增加30%～50%，但电机运行效率可提高到50%～55%，从根本上改变能源浪费状况，如果每年生产300万kW稀土永磁电机，可为国家节省电力投资6亿元，节省电费3亿元。

与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机，特别是稀土永磁同步电机优点甚多：永磁同步电机损耗少、效率高、节电效果明显。永磁同步电机用永磁体提供磁场，取代了电励磁方式，不存在电励磁损耗，在同步运行时，转子绕组无感应电流，就没有铜耗，转子铁心中也没有损耗，因此，永磁同步电动机的效率要高于电励磁同步电机和异步电机的效率。而且由于永磁同步电机不需要从电网中吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大地提高了电机的功率因数，所以永磁同步电机在25%～120%额定负载范围内均可以保持较高的效率和功率因数，电机的节电效果显著。

1 齿槽转矩对三相永磁同步电动机的影响分析

齿槽转矩是永磁电机的特有问题之一，齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用，在圆周方向产生的转矩。此转矩与定子的电流无关，它总是试图将转子定位在某些位置。齿槽转矩产生的根源在于定子齿槽的存在，由于定子表面开槽，当永磁转子磁极与定子齿槽的相对不同位置时，主磁路的磁导发生了变化，电机转子有趋向于停在使磁路磁导最小的位置上，因此齿槽转矩也称为定位转矩。通俗来讲，当手里拿着一块永磁体接近一块铁时，总会感觉所受一股吸引力合成的结果就是使转子停在使吸引力之和为零的位置。当转子转过某一个小角度时，永磁体离开原来平衡位置，定子铁心对它产生了吸引力，这个吸引力力图把其拉回原来的平衡位置，这个吸引力就产生了阻碍转子转动的磁阻转矩。一台槽数为Q、级数为2p电机的总齿槽转矩，可以理解为对于每个槽口面对2p个磁极级间产生的单元齿槽转矩的叠加，然后是Q个槽口齿槽转矩的叠加。总的齿槽转矩可以表示为

式中，Ti、Xi—表示第i次齿槽转矩谐波的幅值和相角；Np—定子槽数Q和级数2p的最小公倍数；α—定转子轴线之间的机械角度；K—斜槽因子，如果没有斜槽则K=1。

齿槽转矩的存在对永磁电机的运行有着十分不利的影响。齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。

2 偏心转子模型的建立

2.1 采取不均匀气隙削弱齿槽转矩的数学模型

由于永磁体内置，若忽略铁磁材料的磁压降，则在同一极下的电枢内表面和转子外表面分别为等磁位面，气隙磁动势F为矩形波。采用不均匀气隙时，一般力图使气隙磁密按正弦分布

则

可认为

则

式中，δmin—最小气隙。

满足这种变化规律的气隙在工艺上实现困难，可把磁极外表面做成与定子铁心不同心的圆弧形，如图1所示。最大气隙δmax为

偏心距h为

极弧半径为R2=R1-h-δmin

2.2 偏心转子的物理模型

偏心转子的物理模型如图1所示。

图1 三相异步电动机示意图

2.3 偏心转子永磁电机的仿真模型

为某用户设计的TYC315L1-4 160kW380V电机，运用Ansoft软件模块建立仿真分析模型如图2所示。

图2 三相异步电动机仿真模型

3 三相永磁同步电动机偏心转子仿真分析

3.1 空载反电势分析

衡量永磁同步电动机一个很重要的指标就是空载电压波形，图3为电动机相空载反电动势波形，各次谐波含量较高，尽管通过定子斜槽可以大大降低各次谐波含量，但定子斜槽时，定子叠片浪费大量工时，浪费人力，增加成本，故本次研发的系列产品皆采用转子偏心(即偏心气隙)的结构来消除谐波，接下来的仿真我们都会对偏心前后结果进行对比，具体见图3和图4。由图4可以清晰地看出转子偏心后电压波形是无限接近正弦波形的。

图3 整圆转子空载反电势波形

图4 偏心转子空载反电势波形

由图5、图6亦可知，正常气隙电压畸变率14.3%，偏心气隙电压畸变率3.2%，畸变率越小表示各次谐波含量越少，偏心气隙后的谐波含量低，已达到我们要降低谐波含量的要求。

图5 整圆转子反电势傅里叶级数分解

图6 偏心转子反电势傅里叶级数分解

3.2 齿槽转矩仿真分析

降低齿槽转矩的方法有很多种，可分为三大类。第一大类为改变磁极参数的方法，此类方法包括：改变磁极的极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极、磁极分段、不等极弧系数组合和采用不等极弧系数等；第二大类为改变电枢参数的方法，此类方法包括：改变槽口宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽、开辅助槽等；第三大类为合理选择电枢槽数和级数。在生产中，可根据实际情况采用合适的削弱方法，既可采用一种方法，也可采用几种方法的组合。本方案采用的是转子偏心降低齿槽转矩。

整圆转子齿槽转矩最大幅值为14.8 N·m，该台电动机机的额定转矩为1018.7 N·m，所占比例为1.45%；偏心气隙后的电机齿槽转矩的最大幅值为1.34 N·m，所占比例为0.132%，大大降低齿槽转矩。

图7 整圆转子齿槽转矩曲线

图8 偏心转子齿槽转矩曲线

4 结语

通过对三相永磁同步电动机偏心转子进行仿真研究可以看出：采用偏心转子后可大大降低谐波含量，使得电动机波形无限接近正弦波，从而降低各项损耗，提高电动机效率。

采用偏心转子后也可大大降低永磁电机齿槽转矩，降低由于转矩脉动所产生的振动及噪声。

[1] 王秀和. 永磁电机(第二版).北京：中国电力出版社，2011.1.

[2] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计. 北京：机械工业出版社，2015.12.

[3] 崔昌焕.永磁式风力发电机的关键技术.防爆电机，2016.2.

Transient Analysis on Eccentric Rotor Structure of Three-Phase PMSM

LiuWenhui

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

This paper analyzes and studies the advantages of eccentric rotor structure for three-phase PMSM. The simulation model is established by using Ansoft language. Taking a three-phase PMSM as an example, the transient processes of motor with eccentric rotor and round rotor structures are simulated, and the transient curves of no-load back EMF and cogging torque are given. Through simulation and theory analyses, variation trends of no-load back EMF and cogging torque are obtained for three-phase PMSM with eccentric rotor structure.

PMSM;mathematical model;eccentric rotor;transient state

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.02

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0005-004

刘文辉 男 1983年生；毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业，现从事电机设计研发工作.

2017-01-10