真空干泵用爪极永磁电机设计与分析*

2022-08-31熊昱强安跃军薛丽萍关恩禄

电机与控制应用 2022年5期

熊昱强,安跃军,安辉,薛丽萍,关恩禄

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

近年来随着半导体芯片、生物医学制药和光伏产业等领域的蓬勃发展，真空干泵作为关键工艺设备获得了重点关注。轴向分段式爪极电机是一种多段式结构的永磁同步电机，不仅有较高的转矩密度和功率密度，并且具有传统爪极电机制造成本低、运行可靠性强等优点。文献[1]研究了爪极形状对轴向分段式外转子爪极电机漏磁、磁密以及波形的影响。文献[2]对轴向分段式外转子爪极电机的温度分布进行了研究。文献[3]对轴向分段式外转子爪极电机在高速电机中的应用进行了较为全面的研究。文献[4]对爪极电机的空载特性进行研究并给出了改进方法。文献[5]提出了一种预测和优化爪极电机噪声的方法。

真空干泵用电机种类较多，文献[6]比较详细地介绍了真空干泵用感应电机、永磁高效电机、开关磁阻电机和同步磁阻电机的特点,对不同种类电机的应用领域进行了总结。

真空泵与驱动电机一体化能够实现更高的真空要求，驱动电机可以利用屏蔽套提高真空干泵的密封性[7]。工作在真空环境下，如何降低电机温度也是真空泵用电机应该考虑的问题，目前真空泵的冷却方式多为水冷散热。轴向分段式爪极电机主要的损耗在定子上，因此定子温度高。外转子结构的轴向分段式爪极电机定子热量不易散出，且不能适用已成型的一体化结构和屏蔽套密封技术。本文研究的真空干泵用轴向分段式爪极电机采用内转子结构。根据一台实际的真空干泵驱动电机的参数，设计了一台1.5 kW、9 000 r/min的内转子爪极电机，对其电磁性能和温度场进行仿真分析，分析结果可为研发新型真空干泵驱动电机提供参考依据。

1 电机模型与运行原理

本文设计的是三相爪极电机，因此电机为三段式结构，如图1所示。定子爪极由6个爪构成，定子材料使用软磁复合材料(SMC)[8-10]，该材料各向同性，特别适用于具有三维磁路的轴向分段式爪极电机[11]。爪极电机的定子可以由软磁复合材料直接压铸成型，并且加工精度较高，有利于电机的大量生产，降低成本。定子槽内装入集中绕组，该结构的绕组无端部，提高绕组利用率，降低了铜耗。转子外表面粘贴3组6极永磁体。由于电机转速高，为防止永磁体脱落，在转子外安装采用sus304材料制作的保护套[12]。

图1 三段式爪极电机结构

三段爪极铁心沿轴向互差40°机械角度(120°电角度)放置，使三段结构在电磁上解耦。在电机3个绕组内通入三相交流电，每段爪极便会产生随三相交流电变化的磁场。3段定子产生的磁场在空间叠加成旋转磁场，与转子永磁体励磁磁场相互作用，实现电机机电能量转换。

2 电磁设计

2.1 电机基本参数选择

轴向分段式爪极电机的各项参数与电机的电磁性能息息相关。由于爪极电机定子爪极参数较多，在电机设计时，除了要达到所要求的电磁性能外，还要考虑电机结构的合理性。电机主要尺寸和电机性能指标之间的关系为[13]

(1)

式中：D为爪极定子内径；le为三段定子铁心长度；nN为电机额定转速；PN为电机额定功率；KNm为气隙磁场的波形系数；αp为计算极弧系数；Bδ为气隙磁通密度；A为电流线负荷；m为电机的相数。

本文开发的电机性能指标如表1所示。选择合适的气隙磁通密度与电流线负荷，将给定的电机参数代入式(1)，可得粗略地计算出电机的主要尺寸。之后建立模型进行电磁仿真，结合技术指标对参数进行改进，最终得出电机的尺寸参数，如表2所示。

表1 电机主要性能指标

表2 电机主要尺寸参数 mm

2.2 爪极参数

在基本尺寸确定后，爪极电机的爪极形状与永磁体尺寸对电机电磁性能有很大的影响。许多文献研究了外转子爪极电机的外形尺寸对空载反电动势、漏磁系数、齿槽转矩的影响，并给出了相应电机参数设计的建议[14-15]。本文从爪极参数出发，研究爪极角对电机转矩和转矩波动的影响以及爪尖长度对电机空载电动势和转矩的影响。

2.2.1 爪极角选取

爪极角如图2所示。爪极角最大值为360°/2p，此时对应爪极极弧系数为1。考虑漏磁和齿槽转矩的影响，爪极极弧系数一般在0.7～0.9之间，故本文选取的爪极角范围为42°～54°。

图2 爪极角

在其他参数不变的情况下，改变爪极角的度数，对比其转矩与转矩波动的变化，结果如图3和图4所示。

图3 转矩与爪极角关系曲线

图4 转矩波动与爪极角关系曲线

由图3可见，爪极角为42°～52°时，电机转矩随着爪极角的增加而增大，爪极角大于52°时，转矩值趋于平稳。由图4可见，爪极角为42°～46°时，转矩波动逐渐增加，爪极角为48°～54°时，转矩波动逐渐减小。本文选取的电机爪极角为52°，此时电机转矩为1.60 N·m，转矩波动为8.3%。

2.2.2 爪尖长度的选取

爪尖长度为定子根部到爪尖的距离，如图5所示。爪尖长度的上限受铁心长度的影响，最大长度为单段铁心长度与爪根厚度之差。本文电机最大爪尖长度为19 mm，对比了不同爪尖长度下电机的空载反电动势波形和转矩大小，并对A相反电动势波形进行谐波分析。不同爪尖长度的空载反电动势如图6所示，转矩值如表3所示，谐波分析如表4所示。

图5 爪尖长度

图6 空载反电动势对比

表3 不同爪尖长度转矩值

表4 空载反电动势谐波分析

由图6可知，爪尖长度为19 mm时空载反电动势幅值最小，且波形顶端不平整。爪尖长度为15～18 mm时空载反电动势波形相近，幅值随着爪尖长度的增加而增大。

由表3可知，爪尖长度为19 mm时转矩最小，爪尖长度为16～18 mm时转矩值相等，爪尖长度为15 mm时转矩值略微降低。由表4可知，19 mm爪尖长度的基波含量最小，17 mm和18 mm爪尖长度的基波含量相同，18 mm爪尖长度的3次谐波含量最少。综合考虑，本文电机爪尖长度选择18 mm。

2.3 电磁场分析

电机空载运行时，爪极电机气隙磁场由永磁体产生。图7为定子爪极磁密分布。由图7可见，磁密主要集中在定子爪尖和定子膝部位置，爪尖部分局部磁密较大，膝部部分略有饱和。定子爪尖部分平均磁密约为1.3 T，定子膝部平均磁密约为1.6 T；与定子爪身相比，定子轭部的磁密较小，因此可以适当降低爪极定子轭部的厚度，减少材料使用的同时也可以降低电机的成本。

图7 定子爪极磁密分布

图8为转子磁密分布，可见转子磁密比定子低，转子外围磁密约为1 T，永磁体间的磁密最大，约为1.2 T。

图8 转子磁密分布

气隙磁密对电机性能有着重要的影响。爪极电机的3D磁路使电机气隙磁密波形在定子轴向不同位置有着不同的分布，如图9所示。气隙中间处气隙磁场较强，靠近两侧边缘处气隙磁密开始下降，这是因为受到了边缘效应的影响，电机内部气隙磁密分布合理。图10～图12为3处不同位置的气隙磁密及其谐波含量。

图9 空载气隙磁密分布

图10 0 mm处气隙磁密与谐波含量

图11 13 mm处气隙磁密与谐波含量

图12 26 mm处气隙磁密与谐波含量

3处位置为单段爪极电机首尾和中间位置，依次为0 mm、13 mm和26 mm，如图13所示。3个位置气隙内沿圆周方向分布的径向气隙磁场的正弦性畸变率分别为24.7%、25.0%、21.4%。

图13 磁密选取位置示意图

3 温度场分析

电机稳定运行时会产生各种损耗，使电机温度升高。电机温度对电机的性能有很大的影响，过高的温度会导致永磁体退磁，加速电机绝缘老化。真空泵电机工作在真空环境中，散热困难，电机温度是真空泵重点考虑的问题。真空干泵驱动电机趋于稳定时的三维温度场数学模型为[16]

(2)

式中：T为物体温度；q为发热源密度；c为材料的比热容；γ为材料密度；t为时间；S1为电动机绝热边界面；S2为电动机散热边界面；Ten为S2周围介质的温度；α为S2表面的散热系数；K为S1和S2面法向导热系数；Kx、Ky、Kz分别为电动机各介质x、y、z方向的导热系数；Qi-j是自平面i至平面j传递的热量；Ai是平面i的表面积；Fij是两个平面的角系数；ε是平面的总发射率；Ti和Tj分别为i、j两个平面的温度。

温度场仿真中的热源值是电机各部分损耗与其体积之比。本文主要的电机损耗是定转子铁耗、绕组铜耗以及保护套损耗，其值分别为97.7、25.1、19.3 W。经联合仿真可以得到电机各部分温度图，如图14～图16所示。

图14 定子温度分布

图15 永磁体温度分布

图16 转轴温度分布

由温度分布图可知，电机定子平均温度为121 ℃，转轴平均温度为60.3 ℃。

永磁体使用的是N38UH，最高工作温度为180 ℃，而电机稳定工作时永磁体最高温度为61.4 ℃，为运行在真空环境的永磁体预留了近三倍的安全裕度；真空泵电机转子主要通过转轴散热，转轴的温度也不宜过高[17-18]；由温度分布图可以看出，电机温度分布合理，定子温度高，可以通过水冷来降低电机温度[19-20]。