极槽数相近配合的永磁低速同步电动机_王本礼

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微电机 2007年 第 40卷 第 12期 (总第 168期 )
2 磁场分析与动态仿真
211 磁场分析
在有限元软件中, 建立了电机的仿真模型。 然后定义电机的材料和 边界条件, 对 电机的磁场 进行分析。通过分析 后得到电机的磁 场分布和气 隙磁密分别如图 2和图 3所示。
从图 3可以看出, 该电机的气隙磁密在空间并 不是按正弦规律变化的。
1 4 L0
leff
(
rm2
-
r2s
)
n
=
1
nN
B
2 nN
Kn2N
sin( nN Hr )
( 1)
图 6 齿槽转矩波形
式中, N 为电机极数与槽数的最小公倍数; leff为电机 的计算长度; rm 为电机磁钢内径; rs 为电机定子外径。
由式 ( 1)可以看出, 齿槽转矩的频率与电机的 极数和槽数的最 小公倍数有关系。本文所设 计电 机的极数与槽数的最小公倍数为 180, 因此在电机 转过两个齿的时间内, 齿槽转矩波动 10 次, 这与 图 3给出的电机在转过两个齿的时间内的齿槽转矩 变化周期数一致。对整数槽 电机来说, 在电机 转 过两个齿的时间内, 齿槽转矩一般波动 2次, 经历 2个周期。分数槽电机正是由于增加了齿槽转矩的 频率, 才使得它的 齿槽转矩 比整数槽 的要小。从 图中可以看出, 齿槽转矩的幅值为 014 N#m, 只有 该电机额定转矩的 3% , 对电机转矩的影响很小。
3结 语
极槽数相近 配合的低速永 磁同步电动机 可以 减小定子轭部厚 度和绕组端部长 度, 从而减 小电 机铁和铜的用量, 有效降低 电机成本。通过利 用 时步有限元法对电机的运行性能仿真, 可以看出: 样机的极槽数配 合与整数槽电机 相比, 其齿 槽转 矩的频率高, 幅值 比较小, 电机的输 出转矩更 加 平滑, 具有较好的低速性能。
参考文献
[ 1] 苗峰, 马纪. 分数槽绕组排列与 接线 [ J] . 防爆电 机, 1999, ( 12) : 20-22.
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中图分类号: TM 356
极槽数相近配合的永磁低速同步电动机 王本礼 李光友
文献标识码: A
文章编号: 1001-6848( 2007) 12-0087- 02
极槽数相近配合的永磁低速同步电动机
王本礼, 李光友
( 山东大学 电气工程学院, 济南 250061)
摘 要: 根据实际工程问题需要设计一台极槽数相近配合的低速永磁同步电动机。利用有限元 法对电机磁场进行分析, 并通过时步有限元法对其性能进行了仿真。分析与仿真结果表明: 尽 管电机的气隙磁场远非正弦分布, 但绕组的感应电动势很接近正弦, 电磁转矩的脉动以及齿槽 转矩较小。 关键词: 永磁同步电动机; 低速; 有限元法; 齿槽转矩
[ 3] A ym an M. E I-R efaie, Thom asM. Jahns, D onaldW. N ovotny. A nalys is of Surface Perm anen tM ach inesW ith Fract ion a-l Slot C oncentrated W ind ings[ J] . IEEE Tran sactions on Energy Converson, 2006, 21( 1) : 34-42.
0), 于是得到该电机的绕组的空间分布如图 1所示。
收稿日期: 2007-06-04
Hale Waihona Puke 图 1 绕组空间分布图由图 1可以看出, 该电机每个线圈的两个边分 别位于相邻的两个槽内, 线圈的跨距为一个槽, 同 一相两个相邻线圈的基波电动势反相位, 因此该电
= 019659。另外线圈的端部非常小, 至少是传统绕 组的三分之一, 于是大大减小了电机的用铜量, 降 低了成本 [ 2] 。从图 1中还可以看出各相是分离的, 这使得相间短路的几率大大降低; 相与相之间的互 感很小, 当电机的某相发生故障时, 其它正常相不 易受到该故障相的影响, 这对电机的安全运行很有 利; 电机极数多, 每极磁通小, 定子铁心轭部厚度 减小, 电机用铁量降低。
Low Sp eed PM Synch ronousM otor w ith App roxim ate N um ber of Poles and S lots WANG Ben- l,i L I Guang-you
( Shandong Un iversity, Jinan 250061, China) ABSTRACT: Th is paper introduces a low speed PM synchronous m otor w ith approx im ate num ber of po les and slotsw h ich is designed fo r actual use. T he m agnet field is analyzed by fin ite e lem ent m ethod and the perform ances are sim ulated by t im e-stepp ing f in ite e lem ent m ethod. A ll the resu lts show that the induct ion EMF is approx im ate to the sine w ave, the pulsation of the electrical m agnetic torque and the cogg ing torque are both sm al,l although the air- gap m agnetic fie ld is far from sinuso ida.l KEY W ORD S: PM synchronous mo tor; Low speed; F in ite elem ent m ethod; Cogg ing torque
212 动态仿真 首先仿真 电机的额定运行 状态。给 三相绕组
输入对称的 额定电压, 设置好 运动边界, 然后对 模型进行剖 分, 定好 时间步长 后, 即可 以对电机 进行仿真。仿真得到 的电机输出转矩 和反电势波 形分别如图 4和图 5所示。
从图 4可以看出, 在刚开始的一段时间内, 转 矩并没有稳 定, 这是 因为绕组 中电感的 影响, 使 得绕组中的电流存在一 个暂态过程, 随后电机的 电磁转矩进入稳定状态, 除平均转矩 外还存在较 小的脉动分量。
作者简介: 王本礼, 男, 硕士研究生, 从事电机瞬态分析。
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从图 5可以看出, 电机的反电势波形近似正弦 波, 较气隙磁场的波形有明显的改善。
然后仿真 电机的齿槽转矩。将绕组 的电源改
为电流源, 并将其赋值为 0, 这相当于电机的三相
绕组开路, 此时电机 的转矩就 是齿槽转 矩, 其波
形如图 6所示。
由虚位移法可以得到齿槽转矩的表达式为 [ 3] :
]
E T c =
表 1 电机主要尺寸和技术参数
主要尺寸 ( mm )
磁钢参数
定子 外径
定子 内径
转子 外径
铁心 长度
最小 气隙
剩磁 (T)
矫顽
力 ( kA /m )
最大 磁能 积 ( kJ /m3 )
绕组 型式
130 30 176 45 111 11 17 868 263 单层
考虑到系统的要求, 电机采用外转子结构。电机 的每极每相槽数 q= Q / 2mp = 2/ 5为分数, 不能采用传 统的绕 组结构, 可采 用列表法确定 绕组的循 环数 列 [ 1], 经计算得到的一组循环数列为 ( 1, 0, 0, 1,
1 电机结构
随着分数 槽绕组结构的提 出, 极槽 数相近配 合的分数槽永磁同步电动机在低速应 用方面表现 出很好的性 能, 受到 人们的普 遍关注。本文样机 为一台 115 V、 0125 kW、 30极、 36槽、 200 r /m in 的三相低速永磁同步电 动机, 电机的 主要尺寸和 技术参数如表 1所示。