工業(yè)風(fēng)機(jī)用永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉杰 于文昊

摘? 要：為滿足工業(yè)領(lǐng)域工作空間的通風(fēng)散熱問題，工業(yè)用風(fēng)機(jī)得到了較大規(guī)模的推廣應(yīng)用，但是相關(guān)的分析研究還存在優(yōu)化空間。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，分析工業(yè)風(fēng)機(jī)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)技術(shù)要求對(duì)電機(jī)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過利用有限元分析法對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)性能優(yōu)良，證明優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī);齒槽轉(zhuǎn)矩;轉(zhuǎn)矩脈動(dòng);電機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM 351? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

相對(duì)于傳統(tǒng)采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)，采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)具有體積小、重量輕、風(fēng)量大、噪聲低、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，因此，采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)風(fēng)機(jī)潛力巨大，對(duì)永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為后續(xù)的發(fā)展及設(shè)計(jì)研究起到積極作用。

本文根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大，振動(dòng)超標(biāo)等實(shí)際問題進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)可行方案，通過仿真分析優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1? 永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文設(shè)計(jì)過程中，主要關(guān)注電機(jī)的輸出能力，結(jié)合使用工況的需求，要求電機(jī)的振動(dòng)、齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)盡可能小。

對(duì)于表貼式永磁電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩公式：

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的定子電流的交軸分量有關(guān)。

電機(jī)的力矩平衡方程式：

對(duì)于表貼式永磁電機(jī)，定子電流中直軸分量為零時(shí)，定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。

2? 電機(jī)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)以上要求，應(yīng)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。首先對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以提高電機(jī)有效材料利用率，減小電機(jī)單位體積重量。為了提高出力及過載能力，電機(jī)宜采用多極數(shù)設(shè)計(jì)并綜合考慮電樞反應(yīng)的影響[1]，選取合適的尺寸參數(shù)。同時(shí)為了降低齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，采用分?jǐn)?shù)槽加斜槽方案[2]，在充分提高基波繞組系數(shù)的同時(shí)有效抑制諧波系數(shù)，可以較為顯著的降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)提高電機(jī)的制造精度，可以有效降低電機(jī)振動(dòng)。

2.1 電機(jī)的主要技術(shù)要求

表1為電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)電機(jī)主要尺寸關(guān)系，電機(jī)基本尺寸按公式（3）確定[3]：

綜合考慮電機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際風(fēng)機(jī)尺寸，確定電機(jī)內(nèi)徑353mm，電樞長(zhǎng)度為80mm。

3? 電機(jī)性能參數(shù)仿真分析及優(yōu)化

3.1 電機(jī)的主要參數(shù)計(jì)算

基于以上基本設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元法[4]，對(duì)電機(jī)的電磁性能進(jìn)行分析計(jì)算[5]。表2為電機(jī)的主要設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.2計(jì)算結(jié)果優(yōu)化分析

3.2.1空載齒槽轉(zhuǎn)矩

定子斜槽前，空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖1所示[6]。

由仿真分析計(jì)算可以看出定子斜槽前轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，轉(zhuǎn)矩值見表3：

分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)斜槽角度范圍1/2槽，此范圍內(nèi)定子斜槽 3°時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最優(yōu)，空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖2所示。

從分析結(jié)果可以看出電機(jī)定子斜槽設(shè)計(jì)有效地消弱了齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3.2.2電機(jī)滿載分析

定子斜槽前，電機(jī)滿載轉(zhuǎn)矩波形如圖3所示。

定子斜槽后，電機(jī)滿載轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。

由仿真分析計(jì)算，可得斜槽前后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值，如表4：

從分析結(jié)果可以看出電機(jī)斜槽設(shè)計(jì)有效地抑制了滿載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的波動(dòng)。

3.3振動(dòng)結(jié)果分析

改進(jìn)前電機(jī)振動(dòng)總級(jí)為106dB，從圖5可以看出電機(jī)在基頻及高頻段振動(dòng)值較高。

改進(jìn)后電機(jī)振動(dòng)總級(jí)為100dB，從圖6可以看出電機(jī)在基頻及高頻段振動(dòng)值都有較大改善。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

正本文對(duì)工業(yè)風(fēng)機(jī)用永磁電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用有限元分析方法對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)化分析，優(yōu)化了電機(jī)齒槽力矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)等方面參數(shù)。從結(jié)果看本文設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)技術(shù)指標(biāo)符合要求，設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以為同類電機(jī)設(shè)計(jì)與分析提供一定程度的幫助。

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