关于工业风机用永磁电机优化设计

杨正华

摘 要：随着材料、加工和控制技术的发展，发动机转速显著提高，高速风机在许多领域的应用越来越多，尤其是在工业。高速永磁发动机的主要设计内容，是进行电磁、机械以及热耦合的主要任务。高速永磁发动机的设计方法还不完善，美国还有许多关键技术需要解决。该文收集了关键技术，验证高速永磁体的电磁优化。以风机用高速永磁发动机为目标，介绍了发动机的设计过程，总结了相关关键技术，重点介绍了永磁发动机的电磁优化设计。

关键词：工业风机;永磁电机;优化;设计

1 研究背景與意义

为了更有效地针对地球环境进行相应的保护措施，因此，低碳经济越来越成为，各国目前经济发展的主要趋势。在中国，随着目前经济处于快速发展阶段，与环境污染也成为了一个极为严重的问题。而高速水磁发动机，具备了效率高的优点，非常符合目前经济发展以及节能减排的双重需要。目前，在许多西方发达国家中，高速发动机技术已经相对成熟，广泛应用于许多工业领域：废水处理、天然气输送和气流制冷系统、鼓风机和高速压缩机，必须由高速永磁电机机控制。在高精度领域，使用高速电机轴可有效提高机械的精度和产量;近年来，在关于的新能源供应系统，已经逐渐成为目前能源行业发展的一个重要方向，同时也为新能源方向的使用提供了一个新的方向，因为它具有损耗小、成本低、可靠性高的特点。

齿槽转矩问题，是永磁电机所特有的几个问题之一。如果永磁发动机的扭矩不能实现有效制动，则发动机输出扭矩会出现大幅波动，从而影响到发动机的正常运行，特别是在低负荷和低转速的情况下。因此，需要削弱风扇外部转子的稳定磁电机。首先，在选择定子和转子结构时，比较了高速永磁发动机、适用于阀杆套筒的各种发动机参数之间的性能差异以及高速发动机的缠绕问题。在保证符合实际加工要求的基础上，尽可能提高发动机输出，减少发动机损耗，降低温升，然后优化转子设计。本文主要研究转子角度和磁模式。最后，给出了使用磁槽楔进一步改善发动机性能的示意图，并分析了磁槽楔效应的相对磁导率对发动机性能的影响。

2 永磁同步电动机齿槽转矩的分析

2.1 齿槽转矩产生原理

如果永磁体的同步发动机在其进行绕组部分，并未进行激活，则由于永磁体以及仪表齿之间，具有一定的相互作用，从而产生切向分量，永磁体和铁芯之间相互作用产生的扭矩，应称为齿槽转矩。如果在这一永磁电机中，定子和转子之间存在一定的相对运动，则永磁体与磁极仪器齿之间，存在磁导率基本处于不变的状态，因此在仪器齿周围所具备的磁场，也基本不变。在两个仪器齿组成的小区域范围内，对准永磁体的两侧，磁导率发生显著变化，导致磁场中的储能发生变化，如果发动机未通电，皮带扣扭矩定义为磁场能量w相对于转子位置a角度的负导数。可以表示为

2.2 齿槽转矩的解析分析

为便于后面的相关分析，假设永磁材料的磁导率与空气磁导率相同，且永磁发动机仪表磁芯的磁导率为无穷大。因此，保留在发动机中的能量是近似恒定的磁铁和微分磁能的总和。可以表示为

磁场能量w取决于发动机的结构尺寸、稳态磁铁性能以及定子和转子之间的相对位置。整个仪器表面上气孔的磁密度分布可近似表示为：

在永磁分布方面，目前呈现出较为均匀分布情况的永磁电机，其所对应的傅里叶展开式应当为：

该式子中所出现的p为极对数，且αp为这一永磁磁极的对应极弧系数。

2.3不等厚磁极结构与齿槽转矩关系的分析

经过上述的基本分析，可以看出，只要通过对B进行减小操作，齿轮的扭矩就可能同时会出现减小情况。通过改变永磁极的形状，使得板状永磁体集中在原来的内径和外径转变到现有的内径和外径上，即永磁体具有不等的厚度，以减少B并且达到将齿槽转矩进行减少的目的。

2.4极弧系数与齿槽转矩关系的分析

半导体是指方弧宽度与极距之比。上述公式表明，B（0）对共轭扭矩有主要影响，但并非所有B（0）傅里叶退化系数都对齿槽转矩有影响。只有NZ/2p傅里叶退化系数对轮齿的扭矩有影响，选择合理的半圆弧系数来降低轮齿扭矩处的傅里叶退化系数可以有效地降低轮齿的扭矩。

3 风机用永磁同步电动机优化分析

3.1 不等厚永磁体的优化

如果在定转子之间存在着均匀的气隙，可能会造成较多气隙的产生，而由于多次谐波的出现，就会造成更多的齿槽转矩产生。如果能够选用不等厚磁体，就会对应获得不均匀的气隙，具有较少的存在于磁极中心的对应气隙，而气隙在处于磁尖处时较大。从而在永磁体情况下，在气隙磁体的分布密度方面，能够更想正弦波情况。从而能够使得谐波对齿槽转矩的影响大大减少。

电机的齿槽转矩所具有的幅值，并不是在偏心距发生增大时，而单调减小。但当其处于一定范围内时，会出现一个最优偏心距，这一偏心距能够得到最小的齿槽转矩幅值。当偏心距h =17 mm时，齿槽转矩幅值为0.171 Nm。

3.2 极弧系数的优化

根据上述分析的结果可以得知，如果选择不同的半曲线系数，稳态磁发动机扭矩的振幅也应不同。因此，可以使用软件对磁钢半弧系数进行优化和分析，以降低其扭矩，从而得出最佳偏心率，确定极弧系数变量（E），在保持其他相关参数不变的基础上，并对其进行优化以获得不同极弧系数的齿轮情况。

但是半圆弧系数也不是越高越好。在一定程度上，存在一个最佳的半圆弧系数来最小化齿轮的扭矩振幅。如果极弧系数e=0.90，则齿轮扭矩的对应振幅应当为0.838 nm。

4 工业风机用永磁同步电动机仿真结果及分析

基于已建立的二维有限元模型发动机，利用扫描分析结果，选择优化偏心率和明信片系数进行仿真，得到共轭扭矩曲线，并对优化前的齿轮扭矩进行比较。优化前的最大扭矩为241.2 MNM，优化后齿轮调整的最大扭矩为19.97 Mn（m），最大扭矩减少221.23 Mn=m。优化后，峰值扭矩按标称扭矩1.09%计算。通过优化参数模拟获得发动机输出扭矩。

5 结语

为了将工业用永磁电机的相关构造设计，进行合理优化，应根据永磁电机的真实转矩机理，推导出对应永磁发动机齿轮的转矩表达式。再利用此进行分析，选择合适的偏心距和极弧系数可以有效地削弱永磁发动机的变形转矩。以某同步发动机24槽8极风扇外转子永磁体为例，建立了基于Maxwell 2D的永磁体的对应有限元模型，仿真分析了磁钢的偏心率和弧后系数，得到了最佳偏心率和弧后系数。因此，本文为工业用永磁电机，在相关优化设计方面，提供了较为有效的参考依据。

参考文献：

[1]陈文敏、风机用永磁无刷直流电动机分析与设计[ D ].广州：广东工业大学，2013.

[2]张科，永磁电机齿槽转矩研究[ D ].河南：河南理工大学，2011