对防爆型低速永磁直驱三相同步电动机的设计研究.docx

?

?

对防爆型低速永磁直驱三相同步电动机的设计研究

?

?

辛佰富

摘要：近些年来伴随着永磁电机制造技术以及永磁材料制造水平的日益提升，永磁电机的主要制造工艺以及技术问题已经得到了有效的解决。为此，越来越多的企业与科研机构立志于永磁同步电机的研究工作，以此研究出更多新产品好适应于不同的应用场合。鉴于此本文笔者即在梳理了国内外学者以及相关工作人员对永磁电机的大量研究资料的基础上，结合个人研究经验，提出防爆型低速永磁直驱三相同步电动机的设计研究，以供广大同行参考借鉴。

关键词：防爆型;永磁直驱三相同步电动机;电动机设计

前言：

因永磁同步电机本身的体积小，重量轻，噪音低，但效率却相对较高等一系列的优点，使得其应用与发展前景都十分的广泛。也正因如此，大力的推动与研究永磁同步电机则具有十分重要的现实意义。尤其是伴随着近些年来能源消耗量的日益上涨，人们更加热衷于选择节能型的高效电机，以满足需求的快速增加。而防爆型低速永磁直驱三相同步电动机，因其本身的可靠性较高、带载能力较强，且具有节能减排的作用，在现代煤炭生产之中更是得到了日益广泛的应用。鉴于此种情况笔者在查阅了大量相关参考文献的前提下，结合已有的低速永磁直驱同步电机为例，对防爆型低速直驱永磁电机的设计思路展开进一步的研究。

1.防爆型低速永磁直驱三相同步电动机的设计过程

虽然在不同负载类型下应用的永磁同步电机，其具体的工况不尽相同，但是基本的电机设计理念是一致的，主要的问题均都集中在如何将低频转矩脉动得以有效的消除之上。所以，对于低速高扭矩的永磁同步电动机而言，其设计关键应该在于如何进一步消除谐波引发的转矩脉动问题。通常情况下，非正弦气隙磁场会引发转矩的波动，因此在设计低速扭矩电动机或者是高扭矩电动机时，都应该尽可能的确保气隙磁场为正弦。

在设计低速直驱永磁同步电机时，其研究热点应该放在如何选择转子磁路结构上，如何优化极槽配合上，如何抑制齿槽转矩上，如何提升转矩密度上等诸多方面。而不同的应用场合与不同的额定参数，恰恰决定了电动机在实际设计过程中应该选取的不同方案参数。为此，本文笔者将应用场合定位于矿用驱动设备之上，旨在设计一台符合现场应用需求的防爆型低速永磁直驱三相同步电动机，并以一台额定功率為160kW，额定转速为60r/min，额定转矩为25466N·m的隔爆型低速永磁直驱三相同步电动机为例，从上述几个研究热点进行优化改进，从而对电动机的性能加以优化，降低电动机的实际体积与成本。

具体而言，在低速直驱永磁同步电机的设计过程中，应使用多极结构，以此降低额定的同步转速，并在大扭矩的前提下，进一步减少电动机额定电流，使得每极都能够具备足够强的激励磁场。而励磁面积又直接会影响到永磁体能够提供的磁场强度，因此永磁直驱同步电机可以采取切向式结构。

2.永磁直驱三相同步电动机转矩脉动的优化

众所周知，转矩脉动不仅会影响伺服系统的控制精确度，还会引发电机振动、机械噪声等问题，甚至会直接影响到整个电动机的运行可靠性。所以，绝大多数应用场合需要的都是平滑的转矩。而永磁直驱三相同步电动机之所以发生转矩脉动问题，归根结底还是因为齿槽转矩与谐波电磁转矩造成的。其中，齿槽转矩可谓是永磁电动机的一种固有现象，当定制绕组中的电流为零时，永磁体与开槽定子铁心之间相互作用下便会产生齿槽转矩;而谐波电磁转矩则是由于电压谐波分量与电流谐波分量，这二者之间的互相作用产生谐波电磁转矩。所以，有效的降低转矩脉动，便要同时削弱齿槽转矩与谐波电磁转矩，这是永磁直驱三相同步电动机优化设计的关键所在。

受到电机定子表面开槽的影响，齿槽转矩势必会相应产生。这是因为永磁转子的磁极与定子槽，如若处于不相等的前提下，主磁路的磁导率势必会相应发生变化，电机的转子更加倾向于在磁路磁导率最小的地方停止。而实际上电动机里面的永磁体始终会受到磁芯的吸引，也就使得各个永磁体之间会产生一种联合性吸引力，转子会停止在联合吸引力为零的位置之上。如若转子的角度旋转相对较小，那么永磁体远离初始的平衡位置之时，定子铁心便会对永磁体产生吸引，而这个吸引力则会阻止转子远离平衡位置，并产生磁阻转矩，阻止转子的旋转。齿槽转矩随磁极位置的具体变化情况，如图1所示。由此可以清楚的看出，当磁极极间中线处于零点位置时，磁阻转矩为零;而当转子移开，磁极极间中线于零点位置偏离开，因磁阻的变化随之产生磁阻转矩，试图将转子重新拉回到平衡位置之上。为此不少参考资料也对此展开了相应的公式计算得出结论，即：具有相同槽数的分数槽绕组电机，其本身的基波齿槽转矩的周期，为整数槽绕组电机的N倍，这就充分说明了使用分数槽绕组能够有效降低齿槽转矩。

齿谐波会造成点击低频转矩脉动以及电磁噪声等问题，因此通常情况下要想有效消除齿谐波往往会采取斜槽方法。然而由于永磁体的形状通常都为长方体，使用转子斜槽