注塑机用永磁同步电动机的设计与分析

李芳玲，杨俊华，刘景辉，黄开胜，陈思哲

(1.广东工业大学，广州510006;2.贵州航天林泉电机有限公司，贵阳550008)

0 引 言

注塑机又名注射成型机或注射机，是各种塑料制品的主要成型设备。为提高生产效率和产品质量，注塑机行业越来越多采用电动注塑机。永磁同步电动机动态响应性能好、输出扭矩大，能耗低、精度高，在电动注塑机中的应用越来越多［1］。但注塑机电机一般采用变频器供电，定子电流谐波含量高，负载和转速亦为周期性变化，负载时，时变谐波电流产生的定子谐波磁场和永磁体产生的空间谐波磁场相互作用，会产生电磁噪声，如何降低电机噪声，是注塑机用永磁同步电动机设计时必须面对的问题。目前有国内学者采用定转子槽配合、定子斜槽、加大气隙长度等方法，降低三机异步电动机的电磁噪声［2－3］，而专门针对永磁同步电动机电磁噪声的研究并不多。文献［4］采用场－路－运动耦合的时步有限元方法分析了异步起动永磁同步电动机定转子双侧开槽时的谐波磁场，建立两种时步有限元计算模型对稳态转矩曲线进行分析，结果表明负载稳态转矩曲线存在明显波动。文献［5］建立了时变运动电磁场有限元模型，对比分析开槽深度、宽度和槽数等永磁体不同程度开槽磁极对齿槽转矩的影响，认为适当的磁极开槽可有效削弱齿槽转矩。文献［6－7］研究了永磁电机通过齿冠开槽抑制齿槽转矩，但未给出不同辅助槽型对齿槽转矩的影响。文献［8］通过有限元法研究了不同结构的辅助槽对应的齿槽转矩、定子齿开槽对齿槽转矩的影响，认为合理设计辅助齿的尺寸和槽型可有效抑制齿槽转矩;文献［9］研究了一台10 极12 槽永磁电机，通过开辅助槽抑制定位力矩，在矩形槽、三角形槽、半圆形槽三种辅助槽形中，矩形槽效果较为明显。文献［10］研究在转子铁心q 轴开槽口对转矩脉动和转矩谐波的影响，认为可削弱6 次谐波分量。

本文研究了一种新型转子结构的注塑机用永磁电动机，通过在转子上打孔、开槽，优化磁钢形状，降低电机振动和噪声，给出主要设计思路，完成了电磁设计方案。利用ANSYS Maxwell 软件建立了电机的二维有限元仿真模型，仿真电机的动态性能;试制样机并完成了电机的性能测试、温升、过载、噪声等试验，空载噪声54 dB，负载噪声59 dB，未出现明显的振动和电磁噪声，达到设计要求。

1 主要尺寸的确定

1.1 主要技术指标

电机主要技术指标:UN=310 V，PN=17.3 kW，Nn=1 500 r/min，IN=33 A，最大转矩倍数≥1.8，噪声值≤70 dB，不能出现明显的电磁噪声。

1.2 电机主要尺寸的确定

根据电机设计基本理论［11］，电机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁曲负荷有关，即:

式中:定子内径Di1=110 mm;计算铁心长度L;计算功率P' =1.1PN=19.03 KW;计算极弧系数αP=0.7，气隙磁场波形系数KNM，正弦波磁场取1.11，8 极36槽，跨距取5，绕组系数Kdp=0.945。所设计的电机自带散热风扇，故线负载A 可稍大些，为400 A/cm，永磁材料采用高剩磁、高矫顽力的钕铁硼永磁体N35UH，气隙磁密Bσ=0.9 T。为提高电机的动态响应速度，减小转动惯量，设计时考虑取较大的主要尺寸比，转子外径取107. 4 mm，转子长度取240 mm，参考已有系列的电机外径尺寸，外径取175 mm。

永磁同步电动机的气隙长度一般大于同规格的感应电机［12］，气隙大小对电机的振动和噪声有很大影响，同时会影响电机的弱磁调速能力。参考同规格的感应电机气隙并结合已有样机气隙大小，取1.3 mm。

1.3 转子结构选择及设计

由于分数槽电机相邻磁极下所占有的槽数不相等，导致气隙磁密波形不对称分布。永磁体产生的气隙磁场含有丰富的奇、偶次谐波，甚至分数次谐波，与电枢磁场相互作用会产生大量的径向电磁力波，引起定子铁心形变，产生振动和噪声［12－13］。为减小气隙磁密的谐波含量，增加气隙磁场的对称性，需要优化磁钢形状。

表贴凸出式转子结构的永磁磁极易于实现优化设计［12］，为使电动机气隙磁密波形趋于正弦波，采用此结构，磁钢偏心距取18 mm，极弧系数取0.89。

考虑到电机的伺服性能和噪声要求［13］，采用打孔和开槽式的转子结构，这既可进一步减小电机转动惯量，提高动态响应能力，也可改善气隙磁密波形和增大等效气隙长度，降低气隙磁密幅值［14］，削弱齿槽转矩和转矩脉动。气隙磁密由下式计算［12］:

式中:Br(θ)，δ(θ，α)，hm(θ，α)分别为永磁体剩磁、有效气隙长度、永磁体充磁方向长度。在转子上打孔、开槽，相当于等效地增大了气隙长度，δ(θ，α)增大使得B(θ，α)减小。不考虑定子斜槽时，进一步可得:

式中:Tcog(α)为齿槽转矩;G0，Gn为傅里叶展开式的系数;La，R1，R2，z 分别为电枢铁心轴向长度、电枢内半径、槽数;n 为使为整数的整数。从式(3)可知，齿槽转矩会随气隙长度的增大而减小，从而可降低转矩脉动，但气隙磁密减小的同时也会削弱电机的输出转矩。转子冲片和磁钢形状如图1、图2 所示。

图1 转子冲片

图2 磁钢形状

电机其它设计参数，磁钢厚度3.5 mm，转子内径48 mm，每槽导体数14，双层叠绕组。

2 电动机有限元仿真分析

2.1 永磁同步电动机二维有限元模型

利用ANSYS 中的Maxwell 2D 模块建立永磁同步电动机的二维有限元模型，如图3 所示。

图3 电机二维模型

建模过程如下:

(1)根据参数画出电机模型图;(2)确定电机的各种材料属性;(3)确定边界条件，设置有限元剖分大小、添加激励源;(4)设置铜损耗、铁耗、涡流损耗等;(5)设置负载、求解步长、运动边界等［11］。

2.2 气隙磁密

在Maxwell 2D 模型中，将定子绕组电流设为零，这样即可得到转子磁场波形，经由傅里叶级数分解成各次谐波。气隙磁密和气隙磁密谐波分解如图4、图5 所示，谐波幅值如表1 所示。

图4 气隙磁密图

图5 气隙磁密谐波分解图

表1 空载转子磁场谐波次数及幅值(只计算到转子二阶齿谐波)

每极每相槽数:

2.3 径向力波计算

力波计算表由r = μ+ν 计算，如表2 所示。分数槽电机的定、转子磁场谐波较多，但从表2 中看出，通过改进转子结构和优化磁钢形状，转子的谐波含量减小，定转子谐波产生的径向力波个数减小。通常而言，定子铁心弯曲变形量正比于力波幅值，反比于力波次数的四次方，故表2 中的4 阶以上力波可忽略不计。

表2 主要力波计算表

3 电动机脉动转矩仿真分析

由谐波电流和转子永磁体相互作用产生纹波转矩，在转子上开槽时，气隙长度等效增大，磁路磁阻增大，外磁路总磁导减小，引起纹波转矩减小，但同时也会降低基本电磁转矩。图6、图7 为开槽与不开槽时的齿槽转矩和电磁转矩。

图中实线表示开槽，虚线代表个不开槽。由图6、图7 可知，开槽时的齿槽转矩峰值只有不开槽时齿槽转矩峰值的1/3，电磁转矩及其脉动率也均小于不开槽时。

图6 开槽与不开槽齿槽转矩

图7 开槽与不开槽电磁转矩

4 样机试验及对比

根据设计的电磁方案制作了样机，并进行试验测试。试验样机和伺服控制器如图8、图9 所示。试验结果如表3 所示。

图8 试验样机

图9 伺服控制器

表3 计算值与试验值对比

从表3 可看出，样机计算值与实测值较为接近，误差小于5%，在工程允许范围内。噪声值和过载倍数达到设计要求，验证了设计正确性。

4.1 样机噪声测试值对比

与原电机相比，改进后样机空载和负载实测噪声降低近6 dB，测试过程中电机运行平稳，未出现明显的振动和电磁噪声，满足设计要求。

表4 样机噪声测试值及对比

4.2 样机过载能力

电机过载能力设计要求:750 r/min 时2 倍额定转矩，额定转速下达到1.8 倍，2 000 r/min 时1.5倍。实测试结果:750 r/min 时2. 1 倍额定转矩，1 500 r/min 时2.04 倍，2 000 r/min 时1.78 倍，达到设计任务要求。最大转矩试验值如表5 所示，对比曲线如图10 所示。

表5 不同转速下最大转矩试验值与仿真值

5 结 语

设计了一款8 极36 槽、1 500 r/min 的注塑机用永磁同步电动机，进行了样机制造和试验。

分析了电机主要尺寸的确定、转子结构、磁钢形状的选择。利用ANSYS Maxwell 软件对电机进行建模和有限元仿真，进行径向力波和转矩脉动分析，样机的测试结果与计算值较为吻合;电机的噪声和过载倍数达到技术指标要求，没有出现明显的电磁噪声。小批量生产的电机，已应用于注塑机中，效果良好。从改进前后样机的噪声对比可看出，转子表面开槽可有效降低电机振动和噪声，为注塑机用永磁同步电动机的设计提供借鉴和参考。

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