谭耳;赵飞;葛发华;覃万健
【摘 要】航天用内置式永磁同步电机采用最大转矩/电流比控制方式,充分利用其磁阻转矩和高凸极率的特点实现大的弱磁扩速和最大转矩比.同时内置式永磁同步电机的转子外无护套等保护措施,转子结构的设计显得很重要.本文对一台20 kW的内置式永磁同步电机电磁参数、转子结构进行了设计,并利用有限元法对其进行了仿真分析.仿真分析的结果证实了该电机设计的正确性. 【期刊名称】《现代机械》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】5页(P4-8)
【关键词】内置式永磁同步电机;最大转矩/电流比;凸极率;转子结构;仿真分析
【作 者】谭耳;赵飞;葛发华;覃万健
【作者单位】贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550081;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550081;贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550081;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550081;贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550081;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550081;贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550081;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550081
【正文语种】中 文
【中图分类】TM351
0 引言
航天用内置式永磁同步电机具有调速性能优良、最大转矩比大、功率密度大、效率高、可靠性强、使用寿命长等优点，在航天和国防等领域得到了越来越多的应用。内置式永磁同步电机驱动系统因具有传动效率高、结构紧凑等优点，成为当前电驱动系统中一个重要的研究方向[1-2]。随着电驱动系统性能要求的不断提高，内置式永磁同步电机系统的设计方法及其外在特性的研究还有待于进一步的改进与完善，如高转矩密度电机参数的准确计算
、转子结构强度设计、转矩波动的优化等[3-4]。本文以内置式永磁同步电机为研究对象，针对上述问题进行了深入研究，为提高内置式永磁同步电机的性能奠定了理论基础。
本文首先从实现电磁性能方面给出了内置式永磁同步电机的数学模型和设计原则，阐述了内置式永磁同步电机的设计方法。本文设计了一台20 kW电机，采用有限元法分析了内置式永磁同步电机定子的输出性能，dq轴电感等，并对转子结构进行了优化设计和结构仿真，仿真结果验证了该电机设计的正确性，为内置式永磁同步电机的设计提供了依据。
1 内置式永磁同步电机电磁计算
内置式永磁同步电机工作性能的计算至关重要，它是设计和优化电机设计方案的基础。为了使计算结果更为准确，应引入电机的控制策略，这样才能使给定的供电电压符合实际情况[5]。本文给出的方法采用的控制策略是最大转矩电流比控制方式，首先给定电机的工作状态，即电机的转速和转矩，计算出电机的主要尺寸；然后依据电机平衡方程式，通过给定不同的直、交轴电流(功率角)，结合端电压、反电势、电抗和电阻参数，计算得到电机在额定转速运行时的电流、效率、功率因数等性能；最后通过仿真和试验对计算结果进行验证。
内置式永磁同步电机转矩方程式如下：
Tem
=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]
(1)
式中：id、iq为定子直、交轴电流；ψf为永久磁铁产生的气隙磁通密度基波切割定子绕组所产生的磁链；Ld、Lq为定子直、交轴电感。
电机运行时的电压平衡方程式如下：
(2)
式中：R1为定子电阻；ω为电角速度。
当电机的端电压和电流达到最大值、电流全部为直轴电流分量时，电机可以达到的空载最高转速为：
(3)
内置式永磁同步电机过载倍数的计算，主要是通过计算电机在不同转速下的矩角特性，从计算的矩角特性上到电机输出转矩的最大值，即认为此最大转矩就代表了电机的过载能力，同时复算热负荷能够保证电机稳态温升。
本文设计的电机主要指标见表1。
表1 20kW电机性能指标序号参数设计值1转速/rpm100002功率/kW203电压/VDC270
在电机设计中，通常根据公式(4)确定电机主要尺寸：电枢直径Da、电枢铁芯长度lt，电机的其它尺寸(包括磁路尺寸、结构尺寸)和重量、技术经济指标都依赖于它。
(4)
式中：P为输出功率；ai为极弧系数；A为电负荷；Bδ为气隙磁密；n为转速；lt为铁芯长；Da为铁芯外径；kw为绕组系数。
由公式(4)可知，在电机体积(直径Da和长度lt)给定的情况下，电动机的功率P与电机电磁负
荷ABδ及电机转速n成正比关系，因此要提高电机的功率密度必须尽可能提高电机电负荷A、磁负荷Bδ及转速n。
经计算取电机铁芯外径185 mm，铁芯有效长73 mm。电机基本参数见表2。
表2 电机基本参数项目设计值项目设计值铁芯外径/mm185极数4铁芯内径/mm100槽数30铁芯长/mm73相电阻/Ω0．0081
2 电磁场仿真
对上述电机进行电磁场有限元仿真。建立电机的二维有限元全周期分析模型，如图1。电机为正弦波驱动，采用最大转矩电流比控制方式，定转子磁极之间的夹角为114°(电角度)。
图1 电机有限元分析模型
2.1 工作点仿真(10000 rpm、19 Nm)
电机在额定工作点的性能仿真结果见表3。电机在该工作点定子铜耗为232 W，铁芯损耗320 W，磁钢涡流损耗为5 W，电机的效率为97.3%。
表3 额定工作点仿真结果项 目计算值项目计算值转矩/Nm19．36相电势max/V131转速/rpm10000相电势rms/V86．2相电流/A88线电势max/V211．6铜耗/W232线电势rms/V149铁耗/W320转子涡流损耗/W5效率η97．3%
电机的转矩波形、相反电势波形、线反电势波形、定子铁耗曲线、转子涡流损耗曲线、分别见图2至图6。
图2 转矩-时间曲线
图3 相反电势波形
图4 线反电势波形
图5 定子铁芯损耗曲线
图6 转子涡流损耗曲线
额定转矩波动系数=(19.4932-19.1864)/(19.4932+19.1864)=0.79%。
2.2 空载仿真(10000 rpm、0 Nm)
电机在空载点的性能仿真结果见表4。电机在空载时铁芯损耗168 W，磁钢涡流损耗为0.1 W。
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