无轨胶轮车用永磁同步电动机磁场优化设计*

陈凡东

(1.中国煤炭科工集团 沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113001)

0 引言

随着锂电池容量和电池控制技术的发展，矿用防爆锂离子蓄电池无轨胶轮车逐步代替防爆柴油机无轨胶轮车。永磁同步电动机是矿用防爆锂离子蓄电池无轨胶轮车的重要组成部分，其性能直接影响无轨胶轮车车动力系统。永磁同步电动机除了要满足胶轮车动力需求外，还需减轻自身质量[1]，减少噪声和振动，提高乘坐的舒适性[2]。

本文利用Ansoft-Maxwel磁场分析软件，对不同永磁体宽度、铁心长度、气隙长度和节距的同步电动机磁场进行仿真分析，在满足性能的前提下进行优化，并对优化后的永磁同步电动机进行最大输出转矩测量，结果表明设计方案符合工程需要，对后续永磁同步电动机设计具有借鉴意义。

1 设计参数

由于无轨胶轮车对永磁同步电动机体积限制较大，为保证永磁同步电动机符合表1的设计要求，需合理设计电动机参数。

表1 主要技术指标

电动机极弧系数为：

(1)

式中：P为极弧系数；αI为计算极弧系数；Kβ为气隙磁场波形系数；Kdp为绕组系数；Dil为定子内径；L1为铁心长度；n为电机转速；A1为定子电负荷；Bδ为气隙磁密。

按照式(1)和经验值对该电动机进行主要尺寸估算[3～4]。永磁同步电动机主要尺寸估算值如表2所示。

2 参数的优化

2.1 永磁体宽度优化

在电动机设计中，电动机性能可通过永磁体宽度来调整。永磁体宽度影响齿槽转距、定子槽充填系数以及电流密度等指标。在满足电动机性能指标的前提下，定子槽充填系数一般选择在60%～80%，电流密度选择30 A/m2，并选择较低的齿槽转矩和漏磁系数，保证胶轮车乘坐的舒适性[5～6]。

利用Ansoft软件将永磁体宽度从20 mm到60 mm，以步长为5 mm取值，其分析结果见表3。根据本文的选择条件，由表3可以看出,磁体宽度为50 mm最适合。

表2 主要参数估算结果

表3 不同永磁体宽度时电动机参数

2.2 铁心长度优化

在电动机内外径一定的情况下，电动机体积只与铁心长度有关，铁心长短不仅影响电动机尺寸，还影响效率[7]，图1为铁心-效率曲线。由图1可看出，铁心长度超过245 mm时，电动机及效率急剧下降。该电动机铁心估算长为210 mm，从图1可知，铁心的长度可优化为180 mm。

图2为铁心长度在180 mm时的三相反电势，由图2可知，三相反电势曲线成正弦波，其反电势最大值180 V，为额定电压的0.8倍，符合电动机的设计规定。

图1 效率与铁心长度的变化

图2 铁心长度为180 mm时三相反电势

2.3 气隙长度的优化

气隙长度的大小影响电动机的效率、磁损、制造成本以及谐波量[8-9]。由表4可以看出，随着气隙长度的减小，效率跟铁损增大，铁损先减小后增大。根据电动机性能指标，气隙长度可选择1.00 mm或0.95 mm,经综合考虑，本文选择气隙长度为1 mm。

表4 不同气隙长度下效率、铁损和功率值

2.4 绕组节距优化

绕组节距分为整距和短距，短距一般取5/6或2/3整距。短距可以削弱斜波电动势，故本电动机绕组节距选短距。在齿槽一定的情况下，本电动机可选节距为4和5。节距4和节距5的反电势谐波见图3、图4。从图中看出，当节距为5时反电势谐波幅值较低，此外，节距为5时，绕组的利用率较高[10]，因此节距选择5。

图3 节距4时反电势谐波

3 优化结果及性能验证

3.1 优化结果

永磁同步电动机优化方案见表5。根据表5可知，优化后的永磁同步电动机方案在额定功率、额定转矩以及效率上有所降低，但其值均满足表1的主要指标。优化后的永磁同步电动机总质量由优化前的74.92 kg降低到65.32 kg，减轻了12.81%。

图4 节距5时反电势谐波

表5 方案对比

3.2 性能验证

利用国家安全生产抚顺矿用设备检测检验中心的电动机测试系统，对设计样机在额定转速下进行额定功率、额定转矩以及效率的测试，测试值见表6，最大输出转矩与转速关系见图5。测量结果表明，该设计方案符合工程的要求。

表6 电机额定数据

图5 最大输出转矩随转速变化

4 结论

利用Ansoft-Maxwell磁场仿真软件，完成了小体积高转速永磁同步电动机的磁场设计，并对永磁体宽度、铁心长度、气隙长度和节距进行了较全面的优化，将永磁同步电动机的车身质量由优化前的74.92 kg降低到65.32 kg，减轻了12.81%，这对同类永磁同步电动机的设计有一定的指导意义。