转子静态偏心对低速大转矩永磁电机性能的影响

，，

(沈阳工业大学，辽宁沈阳 110870)

0 引言

低速大转矩永磁电机具有高效率、高功率因数、低维护量等优点。在矿山、石油、船舶等领域得到广泛应用。而随着工业的不断发展，社会对低速大转矩电机需求量日益增大。然而，在实际生产中，由于生产加工与装配工艺等原因。永磁电机定转子中心线不能完全重合，不同程度的存在转子偏心问题。

通常情况下，电机偏心分为三类：静态偏心、动态偏心和混合偏心。静态偏心是由定子铁心椭圆、定子或转子不正确的安装位置等因素引起的。静态偏心的特点是,电机最大气隙和最小气隙位置不随时间改变。动态偏心的原因是转轴弯曲、轴承磨损、极限转速下的机械共振等因素。动态偏心的特点是最小气隙位置随转轴的旋转一起转动。混合偏心为电机同时存在静态和动态偏心情况。

本文着重研究转子静态偏心后对电机气隙磁密、反电势、铁耗的影响，为转子偏心的研究提供了一定的参考价值。

1 气隙磁密

转子偏心后，电机气隙不再对称，如图1所示。电机偏心后，转子中心偏移，出现转子偏向侧和转子偏离侧。电机气隙长度由原来的均匀分布，变成了不均匀分布。

图1 转子静态偏心示意图

为了后文的分析方便，这里定义偏心率的定义。偏心率e为

(1)

式中，OO′—电机偏心距离；L—未偏心时的气隙长度。

电机静态偏心后，电机在不同偏心率下的气隙磁密如图2所示。

图2 不同偏心率下的气隙磁密分布

为了更好的对比分析不同偏心率下的气隙磁密，依次对不同偏心率下的磁密波形进行傅里叶分解，得到如图3所示的各次谐波分布情况。偏心后的奇数次谐波分布相比于未偏心时的分布，基本变化不大。主要是偶数次谐波出现增多趋势。其中，以二次谐波的变化最为明显。图4为二次谐波在不同偏心率下的百分比含量。随着偏心率的加大，二次谐波明显增多。

图3 不同偏心率下的各次谐波

图4 不同偏心率下的谐波

永磁电机在未偏心时，气隙磁密在空间上相互对称，主要存在奇数次谐波。偏心后，偶数次谐波的增加，将会使电机磁密波形变得更差。表1为不同偏心率下的谐波畸变率，从表中得知。随着偏心率的增加，电机的谐波畸变率不断增大。偏心率在75%时，相比于未偏心时的气隙磁密谐波畸变率增加了3.29%。

表1 不同偏心率下的气隙磁密谐波畸变率

2 空载反电势

转子静态偏心后，气隙磁密的改变会对电机空载反电势有直接影响。空载反电势直接影响着电机空载电流、功率因数、空载损耗等电机重要参数。为此分析转子静态偏心对电机反电势的影响有很大意义。图5为不同偏心率下的反电势波形，依次对不同偏心率下的反电势波形进行傅里叶分解得到表2。由表2可知，随着偏心率的增大，偏心率为75%时，反电势仅下降了0.28%，基本认为不变。反电势不受转子静态偏心影响。

图5 不同偏心率下的反电势波形

表2 不同偏心率下的反电势谐波畸变率

3 电机损耗

通过以上分析可得知，转子偏心后，电机气隙磁密受到改变。而电机铁耗直接与电机气隙磁密相关。图6为不同偏心距离下的铁耗仿真对比，从图中可以看出，随着偏心距离的增加，电机铁耗变化不大。 图7为不同偏心距离下的铁耗值，偏心距离在1.2mm时，电机铁耗相比于未偏心时，仅增加了0.9%。电机转子静态偏心对电机铁耗影响不大。

图6 不同偏心距离下的铁耗仿真对比

图7 不同偏心距离下的铁耗值

图8为电机在不同偏心距离下的涡流损耗值，电机转子在偏心0.5mm时，相比于转子未偏心时，电机涡流损耗增加了8.3%，电机涡流损耗受转子偏心更为明显。

由于电机静态偏心后，电机的最小和最大气隙位置不随时间改变。在转子的任一点位表面处，都要经历气隙长度大小的变化。电机主磁通的不断改变作用在转子表面上，造成涡流损耗的增加。偏心距离的加大，将会加剧主磁通变化，进而造成涡流损耗的进一步增大。

图8 不同偏心距离下的涡流损耗

4 结语

本文主要介绍了转子静态偏心时，电机气隙磁密的变化趋势。以及磁密变化后对电机性能参数的影响。研究结果表明：(1)转子静态偏心后，电机气隙磁密中偶数次谐波增多，奇数次基本不变。电机气隙磁密的波形畸变率增大；(2)转子静态偏心对低速大转矩永磁电机反电势没有影响；(3)电机转子偏心对电机铁耗影响不大，对涡流损耗影响较大。

[1] 冀博，王秀和，王道涵，等．转子静态偏心的表面式永磁电机齿槽转矩研究[J]．中国电机工程学报，2004，9(24)：188-191．

[2] 鲍晓华，吕强．感应电机气隙偏心故障研究综述及展望[J]．中国电机工程学报，2013，6(33)：93-100．

[3] 岳二团，甘春标，杨世锡．气隙偏心下永磁电机转子系统的振动特性分析[J]．振动与冲击，2014，33(8)：29-34．

[4] 蒋山.转子偏心状态下永磁同步电机电磁性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017-3.

[5] 刘笑天，蒋超奇，江丙云，等.ANSYS Worbench有限元分析.北京：中国铁道出版社，2017.