搅拌机高效永磁同步电机的设计与分析

杨 敏，麻建中，何志瞧，胡凯波，赵力航，卢琴芬

(1.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，杭州 311121;2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121;3.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321110;4.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027)

0 引 言

永磁同步电机(PMSM)具有高效、高功率密度与高响应等优点，不仅替代了传统非直驱系统的感应电机，而且成为直驱系统的关键部件，已经广泛应用于工业、民用、轨道交通、国防军工与航空航天等各行各业，功率与速度范围宽[1]。

发电厂辅机系统需要大量的电机，例如风机、粉碎机与搅拌机等，传统设备采用工频的三相感应电机，系统的效率与功率因数低，随着变频技术的发展，已经逐步改造为变频的三相感应电机，实现了系统效率与功率因数提升的目的。为了进一步提高搅拌机的效率，目前设备改造进入永磁同步电机替代三相感应电机的阶段，设计开发高效的拓扑结构成为重要的研究内容。

PMSM拓扑结构具有多种多样，各具有优点，电枢绕组与磁极结构是关注的焦点[2-3]。电枢绕组结构与极槽配合紧密相关，可分为端部重叠的结构与端部非重叠的结构。前者为常规的类型，优点是转矩密度高，缺点是端部较长，后者正好相反，这也是近年来研究热点。相对于电枢绕组，转子结构的研究更多，最常见分为面贴式结构(SPMSM)与嵌入式结构(IPMSM)。面贴式结构永磁体位置已经固定，研究主要是磁极形状，包括Halbach结构与面包式结构；嵌入式结构永磁体位置与形状都可以改变[4-6]，结构类型繁多，主要有单层的一字形、V形、U形、W形以及多个单层结构构成的多层结构。相比较而言，IPMSM在转矩密度、效率、功率因数等方面更具有优势。

IPMSM为了获得高转矩密度与低转矩脉动，在设计上的研究很多，如合理的拓扑结构、削弱齿槽转矩、多目标优化设计、转子分段斜极、交直轴电感计算与辨识、振动噪声与等[7-11]。本文针对热电厂辅机系统的搅拌机设计了一种高效的IPMSM。首先，基于等效电路方法[12]，设计了单层一字形、V形、U形与W形四种转子拓扑结构的IPMSM，四种结构采用同样的定子；根据永磁体用量最小、效率与功率因数最大的原则，选择了最优的转子结构；最后，基于有限元模型分析了设计方案额定负载下的电磁转矩、齿槽转矩与三相电流。研究结论将为搅拌机的永磁电机设计提供理论支持。

1 拓扑结构

根据搅拌机的工作要求，所需要的IPMSM额定功率为45 kW，转速为1500 r/min。基于功率与转速的要求，IPMSM电枢绕组选择传统叠绕组结构，并采用分布短距方式。电机的极数可以选择4极或6极，4极时极距大，绕组端部长且定子转子轭部易饱和；6极时能够降低绕组端部和定子转子轭部高度，因此在相同的空间范围内，定子的高度可以减小，从而气隙面积增大，获得更高的效率与转矩密度，因此IPMSM设计为6极结构，三相电枢绕组为双层短路绕组，并采用定子斜槽方式。

转子采用单层的磁极结构，包括一字形、V形、U形与W形四种结构，如图1所示。四种结构的定子完全相同，轴径也相同，也就是所转子的内外径是保持不变的，其结构参数如表1所示。为了简化模型，在电磁分析中转子没有设置通风孔。

图1 设计的四种IPMSM结构

表1 IPMSM结构参数

2 方案设计

基于Easimotor软件的等效电路模型，可以完成以上三种IPMSM的设计，图2显示了计算流程。

图2 基于等效电路的IPMSM设计

首先输入IPMSM的容量、转速、运行温度等设计要求，然后输入定子结构，包括铁心冲片与定子绕组，四种IPMSM采用相同的定子结构，接着在程序里面选择转子拓扑结构，设置永磁体位置，尽量使得永磁体接近于气隙部分，然后逐步计算永磁体用量从少到多(不同永磁体永磁高度与宽度)时的电机性能，直到效率与功率因数满足设计要求，就可以获得所需要的方案。

在计算程序中，也可以把永磁体的高度与宽度设置为参数化变量，同时设置好扫描范围，程序将得到一批计算结果，可以从中选择符合设计要求且永磁体用量最小的方案。

表2显示了计算结果。由表可见，U形IPMSM的性能更优，其永磁体用量小，效率与功率因数都稍高，但过载倍数稍小。需要说明的是，效率计算主要包括了铁耗、铜耗和设置的轴承摩擦损耗，没有包括通风损耗，所以效率值偏高。实际应用系统要求效率大于93.2%、功率因数大于0.9，因此，四个方案都能满足性能指标的要求，但是U形结构性能最优，所以选择其为最后的设计方案。

表2 IPMSM结构参数

3 磁场分布与转矩波动

磁路法设计基于等效电路，不能计算电机的磁场分布以及转矩波动，而这个两者对电机设计也很重要，因此需要通过有限元模型进行进一步的分析。

在Easimotor的磁路计算中，可以直接建立2D有限元分析模型，包括空载与负载。在空载模型中，转子转速为额定转速，定子三相绕组开路，可以计算得到三相空载反电动势与齿槽转矩；在负载模型中，施加额定电压，定子电流保持为额定电流，可以计算得到额定负载时的磁场分布与额定电磁转矩。

3.1 空载性能

图3显示了计算得到空载情况下的磁场分布与反电势。由图可见，空载时只有磁桥部分处于饱和状态，齿磁密与额部磁密都在允许范围内。

图3 空载磁场图

图4显示了三相反电势。从波形看，基本接近与正弦。经过FFT分析，基波有效值为367.3 V，谐波含量最大的是三次谐波，有效值为16.68 V，与基波之比为4.54%，其它的谐波分量都很小，由此可见，反电动势的谐波分量很小。图5显示了空载转矩，其峰峰值在1.2 Nm以内，跟额定转矩相比，数值很小。

图4 空载三相反电势

图5 空载齿槽转矩

3.2 负载性能

图6显示了额定电流下的磁场分布，与空载相比，磁路磁密增大，尤其是齿部磁密增大比较明显，但平均值仍然小于1.5 T。图7显示了电磁转矩波形。由图可见，电磁转矩的平均值为286.98 Nm，转矩峰峰值为16.44 Nm，主要为12次脉动，转矩脉动为5.729%。

图6 额定负载下的磁场分布

图7 电磁转矩波形图

显然，负载时候的转矩波动比空载时候大很多，这就因为电枢反应磁场的高次谐波分量产生的转矩脉动。由图1可见，定子绕组极距为6，节距为5，分布短距接法削弱了5,7磁谐波，最大的谐波分量为11,13次，这两个高次谐波都将引起12次的转矩脉动。

4 结 论

本文针对发电厂辅机系统的搅拌机设计了一种高效永磁同步电机。首先分析了搅拌机的运行需求，设计了初步方案，在此基础上基于Easimotor软件设计了满足效率与功率因数的四种转子结构，对比分析了转子结构对电机性能的影响，结果表明U形转子结构具有性能好、永磁体用量小的优点。最后，采用有限元进一步分析了U形转子结构PMSM，重点分析了空载与负载下的转矩波动，分析显示齿槽对负载转矩波动的影响较小，主要是由电枢磁场的高次谐波引起的，其转矩波动在5.729%。分析表明，U形转子PMSM满足搅拌机的应用需求。