楊正華
摘 要:隨著材料、加工和控制技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動機轉(zhuǎn)速顯著提高,高速風機在許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多,尤其是在工業(yè)。高速永磁發(fā)動機的主要設(shè)計內(nèi)容,是進行電磁、機械以及熱耦合的主要任務(wù)。高速永磁發(fā)動機的設(shè)計方法還不完善,美國還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。該文收集了關(guān)鍵技術(shù),驗證高速永磁體的電磁優(yōu)化。以風機用高速永磁發(fā)動機為目標,介紹了發(fā)動機的設(shè)計過程,總結(jié)了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),重點介紹了永磁發(fā)動機的電磁優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞:工業(yè)風機;永磁電機;優(yōu)化;設(shè)計
1 研究背景與意義
為了更有效地針對地球環(huán)境進行相應(yīng)的保護措施,因此,低碳經(jīng)濟越來越成為,各國目前經(jīng)濟發(fā)展的主要趨勢。在中國,隨著目前經(jīng)濟處于快速發(fā)展階段,與環(huán)境污染也成為了一個極為嚴重的問題。而高速水磁發(fā)動機,具備了效率高的優(yōu)點,非常符合目前經(jīng)濟發(fā)展以及節(jié)能減排的雙重需要。目前,在許多西方發(fā)達國家中,高速發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)相對成熟,廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域:廢水處理、天然氣輸送和氣流制冷系統(tǒng)、鼓風機和高速壓縮機,必須由高速永磁電機機控制。在高精度領(lǐng)域,使用高速電機軸可有效提高機械的精度和產(chǎn)量;近年來,在關(guān)于的新能源供應(yīng)系統(tǒng),已經(jīng)逐漸成為目前能源行業(yè)發(fā)展的一個重要方向,同時也為新能源方向的使用提供了一個新的方向,因為它具有損耗小、成本低、可靠性高的特點。
齒槽轉(zhuǎn)矩問題,是永磁電機所特有的幾個問題之一。如果永磁發(fā)動機的扭矩不能實現(xiàn)有效制動,則發(fā)動機輸出扭矩會出現(xiàn)大幅波動,從而影響到發(fā)動機的正常運行,特別是在低負荷和低轉(zhuǎn)速的情況下。因此,需要削弱風扇外部轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定磁電機。首先,在選擇定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時,比較了高速永磁發(fā)動機、適用于閥桿套筒的各種發(fā)動機參數(shù)之間的性能差異以及高速發(fā)動機的纏繞問題。在保證符合實際加工要求的基礎(chǔ)上,盡可能提高發(fā)動機輸出,減少發(fā)動機損耗,降低溫升,然后優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計。本文主要研究轉(zhuǎn)子角度和磁模式。最后,給出了使用磁槽楔進一步改善發(fā)動機性能的示意圖,并分析了磁槽楔效應(yīng)的相對磁導(dǎo)率對發(fā)動機性能的影響。
2 永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩的分析
2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理
如果永磁體的同步發(fā)動機在其進行繞組部分,并未進行激活,則由于永磁體以及儀表齒之間,具有一定的相互作用,從而產(chǎn)生切向分量,永磁體和鐵芯之間相互作用產(chǎn)生的扭矩,應(yīng)稱為齒槽轉(zhuǎn)矩。如果在這一永磁電機中,定子和轉(zhuǎn)子之間存在一定的相對運動,則永磁體與磁極儀器齒之間,存在磁導(dǎo)率基本處于不變的狀態(tài),因此在儀器齒周圍所具備的磁場,也基本不變。在兩個儀器齒組成的小區(qū)域范圍內(nèi),對準永磁體的兩側(cè),磁導(dǎo)率發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致磁場中的儲能發(fā)生變化,如果發(fā)動機未通電,皮帶扣扭矩定義為磁場能量w相對于轉(zhuǎn)子位置a角度的負導(dǎo)數(shù)??梢员硎緸?/p>
2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析
為便于后面的相關(guān)分析,假設(shè)永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相同,且永磁發(fā)動機儀表磁芯的磁導(dǎo)率為無窮大。因此,保留在發(fā)動機中的能量是近似恒定的磁鐵和微分磁能的總和??梢员硎緸?/p>
磁場能量w取決于發(fā)動機的結(jié)構(gòu)尺寸、穩(wěn)態(tài)磁鐵性能以及定子和轉(zhuǎn)子之間的相對位置。整個儀器表面上氣孔的磁密度分布可近似表示為:
在永磁分布方面,目前呈現(xiàn)出較為均勻分布情況的永磁電機,其所對應(yīng)的傅里葉展開式應(yīng)當為:
該式子中所出現(xiàn)的p為極對數(shù),且αp為這一永磁磁極的對應(yīng)極弧系數(shù)。
2.3不等厚磁極結(jié)構(gòu)與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系的分析
經(jīng)過上述的基本分析,可以看出,只要通過對B進行減小操作,齒輪的扭矩就可能同時會出現(xiàn)減小情況。通過改變永磁極的形狀,使得板狀永磁體集中在原來的內(nèi)徑和外徑轉(zhuǎn)變到現(xiàn)有的內(nèi)徑和外徑上,即永磁體具有不等的厚度,以減少B并且達到將齒槽轉(zhuǎn)矩進行減少的目的。
2.4極弧系數(shù)與齒槽轉(zhuǎn)矩關(guān)系的分析
半導(dǎo)體是指方弧寬度與極距之比。上述公式表明,B(0)對共軛扭矩有主要影響,但并非所有B(0)傅里葉退化系數(shù)都對齒槽轉(zhuǎn)矩有影響。只有NZ/2p傅里葉退化系數(shù)對輪齒的扭矩有影響,選擇合理的半圓弧系數(shù)來降低輪齒扭矩處的傅里葉退化系數(shù)可以有效地降低輪齒的扭矩。
3 風機用永磁同步電動機優(yōu)化分析
3.1 不等厚永磁體的優(yōu)化
如果在定轉(zhuǎn)子之間存在著均勻的氣隙,可能會造成較多氣隙的產(chǎn)生,而由于多次諧波的出現(xiàn),就會造成更多的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。如果能夠選用不等厚磁體,就會對應(yīng)獲得不均勻的氣隙,具有較少的存在于磁極中心的對應(yīng)氣隙,而氣隙在處于磁尖處時較大。從而在永磁體情況下,在氣隙磁體的分布密度方面,能夠更想正弦波情況。從而能夠使得諧波對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響大大減少。
電機的齒槽轉(zhuǎn)矩所具有的幅值,并不是在偏心距發(fā)生增大時,而單調(diào)減小。但當其處于一定范圍內(nèi)時,會出現(xiàn)一個最優(yōu)偏心距,這一偏心距能夠得到最小的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值。當偏心距h =17 mm時,齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為0.171 Nm。
3.2 極弧系數(shù)的優(yōu)化
根據(jù)上述分析的結(jié)果可以得知,如果選擇不同的半曲線系數(shù),穩(wěn)態(tài)磁發(fā)動機扭矩的振幅也應(yīng)不同。因此,可以使用軟件對磁鋼半弧系數(shù)進行優(yōu)化和分析,以降低其扭矩,從而得出最佳偏心率,確定極弧系數(shù)變量(E),在保持其他相關(guān)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上,并對其進行優(yōu)化以獲得不同極弧系數(shù)的齒輪情況。
但是半圓弧系數(shù)也不是越高越好。在一定程度上,存在一個最佳的半圓弧系數(shù)來最小化齒輪的扭矩振幅。如果極弧系數(shù)e=0.90,則齒輪扭矩的對應(yīng)振幅應(yīng)當為0.838 nm。
4 工業(yè)風機用永磁同步電動機仿真結(jié)果及分析
基于已建立的二維有限元模型發(fā)動機,利用掃描分析結(jié)果,選擇優(yōu)化偏心率和明信片系數(shù)進行仿真,得到共軛扭矩曲線,并對優(yōu)化前的齒輪扭矩進行比較。優(yōu)化前的最大扭矩為241.2 MNM,優(yōu)化后齒輪調(diào)整的最大扭矩為19.97 Mn(m),最大扭矩減少221.23 Mn=m。優(yōu)化后,峰值扭矩按標稱扭矩1.09%計算。通過優(yōu)化參數(shù)模擬獲得發(fā)動機輸出扭矩。
5 結(jié)語
為了將工業(yè)用永磁電機的相關(guān)構(gòu)造設(shè)計,進行合理優(yōu)化,應(yīng)根據(jù)永磁電機的真實轉(zhuǎn)矩機理,推導(dǎo)出對應(yīng)永磁發(fā)動機齒輪的轉(zhuǎn)矩表達式。再利用此進行分析,選擇合適的偏心距和極弧系數(shù)可以有效地削弱永磁發(fā)動機的變形轉(zhuǎn)矩。以某同步發(fā)動機24槽8極風扇外轉(zhuǎn)子永磁體為例,建立了基于Maxwell 2D的永磁體的對應(yīng)有限元模型,仿真分析了磁鋼的偏心率和弧后系數(shù),得到了最佳偏心率和弧后系數(shù)。因此,本文為工業(yè)用永磁電機,在相關(guān)優(yōu)化設(shè)計方面,提供了較為有效的參考依據(jù)。
參考文獻:
[1]陳文敏、風機用永磁無刷直流電動機分析與設(shè)計[ D ].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2013.
[2]張科,永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩研究[ D ].河南:河南理工大學(xué),2011