工业风机用永磁电机优化设计

刘杰 于文昊

摘  要：为满足工业领域工作空间的通风散热问题，工业用风机得到了较大规模的推广应用，但是相关的分析研究还存在优化空间。根据实际应用需求，分析工业风机永磁电机的结构，并根据技术要求对电机加以优化设计。通过利用有限元分析法对优化设计的电机进行仿真分析，分析结果显示优化设计的电机性能优良，证明优化设计达到预期目标。

关键词：永磁电机;齿槽转矩;转矩脉动;电机设计

中图分类号：TM 351       文献标识码：A

相对于传统采用交流异步电机驱动的风机，采用永磁电机驱动的风机具有体积小、重量轻、风量大、噪声低、节能高效等优点，因此，采用永磁电机驱动的工业风机潜力巨大，对永磁电机的优化设计可以为后续的发展及设计研究起到积极作用。

本文根据现有风机电机转矩脉动过大，振动超标等实际问题进行优化。首先对永磁电机结构进行分析，设计可行方案，通过仿真分析优化设计参数，以达到优化设计目标。

1  永磁电机数学模型

本文设计过程中，主要关注电机的输出能力，结合使用工况的需求，要求电机的振动、齿槽转矩及转矩脉动尽可能小。

对于表贴式永磁电机，电磁转矩公式：

电机电磁转矩与电机的定子电流的交轴分量有关。

电机的力矩平衡方程式：

对于表贴式永磁电机，定子电流中直轴分量为零时，定子电流产生的转矩最大。

2  电机结构分析与设计

為了实现以上要求，应对电机的结构进行分析。首先对电机结构进行合理设计，以提高电机有效材料利用率，减小电机单位体积重量。为了提高出力及过载能力，电机宜采用多极数设计并综合考虑电枢反应的影响[1]，选取合适的尺寸参数。同时为了降低齿槽转矩及转矩脉动，采用分数槽加斜槽方案[2]，在充分提高基波绕组系数的同时有效抑制谐波系数，可以较为显著的降低转矩脉动，同时提高电机的制造精度，可以有效降低电机振动。

2.1 电机的主要技术要求

表1为电机的主要设计参数。

2.2 电机主要参数

根据电机主要尺寸关系，电机基本尺寸按公式（3）确定[3]：

综合考虑电机各项指标，结合实际风机尺寸，确定电机内径353mm，电枢长度为80mm。

3  电机性能参数仿真分析及优化

3.1 电机的主要参数计算

基于以上基本设计，运用有限元法[4]，对电机的电磁性能进行分析计算[5]。表2为电机的主要设计结果。

3.2计算结果优化分析

3.2.1空载齿槽转矩

定子斜槽前，空载齿槽转矩波形如图1所示[6]。

由仿真分析计算可以看出定子斜槽前转矩脉动较大，转矩值见表3：

分数槽定子结构斜槽角度范围1/2槽，此范围内定子斜槽 3°时转矩脉动最优，空载齿槽转矩波形如图2所示。

从分析结果可以看出电机定子斜槽设计有效地消弱了齿槽转矩脉动。

3.2.2电机满载分析

定子斜槽前，电机满载转矩波形如图3所示。

定子斜槽后，电机满载转矩波形如图7所示。

由仿真分析计算，可得斜槽前后转矩脉动值，如表4：

从分析结果可以看出电机斜槽设计有效地抑制了满载转矩脉动的波动。

3.3振动结果分析

改进前电机振动总级为106dB，从图5可以看出电机在基频及高频段振动值较高。

改进后电机振动总级为100dB，从图6可以看出电机在基频及高频段振动值都有较大改善。

4  结  语

正本文对工业风机用永磁电机进行了优化设计，并利用有限元分析方法对所设计的电机进行了参数化分析，优化了电机齿槽力矩、转矩脉动、振动等方面参数。从结果看本文设计的永磁电机技术指标符合要求，设计优化方法可以为同类电机设计与分析提供一定程度的帮助。

参考文献：

[1] 徐重鹤.低速大转矩永磁直驱电机极槽选择问题的研究[D].沈阳工业大学，2017年.

[2] 陈益广.永磁同步电机分数槽集中绕组的槽极数配合及磁动势[A].第十一届全国永磁电机学术交流会论文集[C].2011年.

[3] 陈世坤. 电机设计[M].北京： 机械设计出版社，2002.

[4] 赵博，张洪亮. Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京： 中国水利水电出版社，2010.

[5] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.

[6] 陈旭东.齿谐波磁场的分析研究及计算机仿真处理[J].机电工程，2005年05期.