實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機氣隙長度與性能研究

    喬嗚忠，張曉鋒

(海軍工程大學，湖北武漢430033)

    摘要：采用有限元法計算了實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機在不同的氣隙長度條件下的氣隙磁密、空載反電動勢、功率因數(shù)、效率和起動轉(zhuǎn)矩，在計算過程中考慮了定轉(zhuǎn)子相對運動及定子斜槽等因素；22 kw實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機的計算和實驗結(jié)果表明，電機氣隙長度對氣隙磁密、空載反電勢、功率因數(shù)、效率和起動轉(zhuǎn)矩均有較大的影響。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；實心轉(zhuǎn)子；氣隙長度；功率因數(shù)；效率

    中圖分類號：TM341    文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)04—0012一03

O引  言   

    實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機與實心轉(zhuǎn)子異步電動機類似，他們的定子結(jié)構(gòu)均與普通異步電動機相同，而轉(zhuǎn)子為實心鐵磁圓柱體內(nèi)嵌入永磁體。整個電機與其他類型永磁電機相比，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子的機械可靠性高；起動性能好，起動轉(zhuǎn)矩大而起動電流小，特別適合于重載起動；由于電機運行于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子鐵心的渦流損耗大幅降低，克服了實心轉(zhuǎn)子異步電動機效率和功率因數(shù)較低的缺點。該類電機已在油田游梁式抽油機中得到應用。

    實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機是在異步電動機基礎(chǔ)上的改進設(shè)計，即采用異步電動機的機座(包括定子沖片)，經(jīng)過計算，選定氣隙長度，進而確定轉(zhuǎn)子尺寸。因此，電機氣隙長度的選取顯得極為重要，為此，需要直接進行電機電磁場的數(shù)值計算和分析^[1-3]。本文采用有限元法對實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機電磁場進行數(shù)值計算，在計算過程中考慮了定轉(zhuǎn)子相對運動及定子斜槽等因素，分析、計算了實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機不同的氣隙長度與氣隙磁密、相反電動勢、功率因數(shù)、效率和起動轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，最后對一臺自行設(shè)計的22 kw實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機進行了實驗研究。1實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機電磁場數(shù)值計算。

    電機電磁場的計算一般歸結(jié)為某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必須結(jié)合具體問題的特定邊界條件才能獲得****的解答。求解的過程較為復雜，考慮到實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機設(shè)計精度高的要求，本文采用有限元法對其電磁場進行數(shù)值計算。

    如圖l所示，一對極內(nèi)穩(wěn)態(tài)電磁場問題可表示成邊值問題：

式中：Ω為求解區(qū)域，s₂為第二類邊界，L為電機內(nèi)各媒質(zhì)分界線。

    剖分單元采用了精度較高的曲邊四邊形，它的邊可以不是直線。在單元內(nèi)任一點的磁位A，可以認為是該單元的四個節(jié)點磁位的函數(shù)，因此可以構(gòu)成一個磁位插值函數(shù)^[1]。對式(1)進行求解，可以

得到電機內(nèi)各節(jié)點的矢量磁位值A(chǔ)_z，進而，可獲得電機內(nèi)各點的磁密和相繞組電勢。

    電機內(nèi)各節(jié)點的磁密可表示為：

   一個電樞繞組線圈邊的一根導體單位長度的平均電勢可表示為：

式中：A_b為槽面積。如果線圈邊劃分為n_e個單元(有N，匝)，則一個線圈邊的平均電勢為：

式中：l_ef為鐵心有效長度，s為單元面積，i、j、m、n為四邊形單元的節(jié)點號，各繞組的電勢都是由線圈邊電勢組成的，所以可得相繞組電勢：

由式(5)可知，相繞組電勢與電樞長度、匝數(shù)及電機磁場有關(guān)。

2定轉(zhuǎn)子相對運動及定子斜槽處理

    定轉(zhuǎn)子的相對運動采用運動氣隙邊界法，其實質(zhì)是在靜止的定子部分采用靜止坐標系，在轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子部分采用旋轉(zhuǎn)坐標系，分別列出方程，利用運動氣隙邊界將靜止部分和轉(zhuǎn)動部分連接起來，以得到整個區(qū)域的解^[5]。

    在中小型電機中，為了削弱定子繞組的齒諧波電勢，常采用定子斜槽的措施，用路的方