于京平1岳常青2
1博远机电（嘉兴）有限公司（314000）
2兆达连合工程技术有限公司（314000）
Electromagnetic Design of the Low-speed Direct-driven PM Synchronous Motor
YU Jingping YUE Changqing
Jiaxing Boyuan Machinery Co.,Ltd.
Zhaoda Lianhe Engineering Technology Co.,Ltd.
摘要：以陶瓷球磨机用低速直驱永磁同步电动机
为例，建立了基于Ansoft Maxwell2D的有限元仿真模
型，计算分析了电机的磁场分布、空载反电势、气隙磁密
和最大转矩等参数。将仿真结果和试验结果进行对比分
析，为此类电机的电磁设计提供参考。
关键词：低速直驱永磁同步电动机电磁设计
有限元仿真
中图分类号:TM356文献标识码：A
DOI编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2019.01.008 Abstract:Taking the low-speed direct-driven PM synchronous motor used in ceramic ball mill as example, the FEM mould based upon Ansoft Maxwell2D was established to calculate and analyze field distribution,no-load counter electromotive force,gap magnetic density and maximum torque of the motor.Simulated results were compared with the tested data,to provide the reference in the field of this kind of motor designing.
Keywords:low-speed direct-driven PM synchronous motor electromagnetic design FEM simulation
球磨机等重型机械装备在全国范围内早已经普遍应用，绝大多数此类机械装备主要采用异步电动机、减速机及大小开式齿轮（或皮带）的低速边缘传动，其传动模式如图1所示。
通常情况下.球磨机采用异步电动机驱动，基于目前的技术水平而言依然存在很多缺点，主要体现在：
1驱动电机2齿轮箱3小齿轮4大齿轮5球磨机
图1球磨机边缘传动示意图及现场实物图
（1）驱动电机的性能水平偏低；
（2）减速机、齿轮等中间传动环节由于摩擦损耗降低了系统的传递效率；
（3）重型机械装备整体生产、制造和工作模式依然落后于国际一流水平。
针对现有重型装备存在的诸多弊端，拟对于球磨机采用低速大转矩永磁电机直接驱动，摆脱减速机这一高耗能机械部件。并采用电机与滚筒通过皮带直接连接，在减少了中间传动链的同时提高了传动效率•也减少了齿轮箱维护量。这符合现代传动系统的技术要求和发展趋势。
永磁同步电机在20%~120%负载率范围内具有较高的效率和功率因数，这一性能是异步电机无法比拟的’同时，永磁同步电机结构简单，工艺也较为成熟，用于专用设备上的节能效果十分明显，符合国家“节能环保”的指导方向，有着广泛的应用前景。本文以球磨机用低速永磁同步
《电机技术》2019年第1期
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现代驱动与控制
电动机TYCPT132-40为列，对低速直驱三相水磁同步电动机的电磁设计进行研究、设计并试制样机，经用户现场试用，节能效果显著。
本次电磁计算采用自行编制的Matlab程序进行计算，通过Ansoft Maxwell2D有限元仿真进行验证，分析了该电机的磁场、磁力线分布、空载反电势、气隙磁密波形和最大转矩等设计要素。样机制造后，通过用户试运行对其进行了相应的性能测试，测试结果与仿真结果基本吻合。
1电磁设计
本次设计的球磨机用变频永磁同步电动机，设计时考虑了效率、功率因数、电机温升和最大转矩等参数。
1.1电机主要性能参数
球磨机用变频永磁同步电动机的型号及主要性能参数详见表1。
表1电机主要性能参数
型号电压
/V
频率
/
Hz
转速/
(r/min)
效率
功率因数
（COS0）
最大转矩/
额定转矩
TYCPT132-4038026.78093.2%0.97 1.6
1.2电机的转子磁路结构
永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。此次设计的低速直驱三
相永磁同步电动机的转子磁路选用永磁体内置式结构。转子内的永磁体不仅能够受到极靴的保护.其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于实现“弱磁扩速”。按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种［人由于此次设计的电机极对数较多，故采用切向式结构，切向永磁体可以产生更大的电磁转矩，有效节省永磁体材料，从而降低成本。1.3其它结构参数
TYCPT132-40型380V永磁同步电动机三圆为¢850mm/0680mm/0200mm，定子冲片选用48槽囚，气隙为2mm，转子采用40极。定子冲片•28-2019年第1期《电机技术》采用0.5mm厚度的50W470硅钢板。转子铁心采用1mm厚度的钢板叠压而成，永磁体材料采用N38SH，隔磁套厚度为20mm，定、转子铁心无径向通风道，冷却方式为IC406。
1.4电磁计算
TYCPT132-40型380V永磁同步电动机的电磁计算采用自行编制的Matlab程序，其计算清单如图2所示。
图2电磁计算单
2有限元分析
为了进一步验证电磁方案的合理性，利用Ansoft有限元法建立电机模型⑶，对电机部分参数进行仿真分析。
电机磁力线走向和磁密分布是否合理是电机设计最基本要求，仿真后磁力线及磁密分布分别如图3和图4所示，可以看出此电机的磁密分布无过饱和点，隔磁套隔磁效果明显，磁力线走向也比较合理。
图3磁力线分布
图4
磁密分布
现代驱动与控制
空载反电势是永磁电机同步电机一个非常 重要的参数，它的大小不仅决定电动机是运行
于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动、 稳态性能均有很大影响⑷。本次设计的电机空载
反电势约为210 V，比计算值稍大，为设计提供余 量，如图5所示。
426.73
t/ms
图5空载反电势
禾0用Ansoft 建立有限元模型气隙磁密分析,
如图6所示。
°° *0.78 50 100 150 200 250 300
Distance/mm
图6气隙磁密
利用Ansoft 建立有限元模型对最大转矩进
行校核，最大转矩值约为26 kN，最大转矩倍数
为1.7，比计算值低，但仍满足设计要求，如图7所
75o
图7最大转矩倍数
利用Ansoft 建立有限元模型对齿槽转矩进行
分析，其最大值为70 N m，小于额定转矩的0.5%,
见图8。
.0660350
5
e z
^03?
o h
- -
M U 1A O S
-
40
0 0.5 I 1.5 2 2.5
t/s
图8齿槽转矩
3 样机试运行
对该设计进行了样机的制造，经用户试运行 测试，对测试结果和设计结果进行对比，见表2。
表2测试结果和设计结果对比
型号
效率功率因数（COS0）空载反电势/V 温升/K 标准值93%
0.96
一
80
设计值
93.2%0.97206一
试验值
97.5%
0.99
210
60
4 结语
此次设计的低速直驱永磁同步电动机样机
满足设计要求。电机样机的成功制造为以后类似
电机的电磁设计提供了一定的技术数据，为行业 内设计开发此类永磁同步电动机的电磁设计提
供了参考和借鉴。
参 考 文 献
[1] 唐任远.现代永磁电机理论设计[M].北京：机械工业出版社，
2015： 161-170.
[2] 湘潭电机厂编.交流电机设计手册[M].湘潭：湖南人民出版
社,1978： 187-201.
[3] 李正.永磁电机设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，
2016： 179-242.
（收稿日期：2018-10-02）
作者简介：于京平，男，1986年5月生，硕士，电机专业，工程师，现从
事电机的设计研发工作二
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