新昌縣三新空調(diào)風(fēng)機(jī)有限公司□潘旭光

1 概述

目前，市場(chǎng)上銷售的工業(yè)吊扇配套的電機(jī)均采用交流異步電動(dòng)機(jī)。由于電機(jī)力能指標(biāo)低、功率因數(shù)低、調(diào)速性能差，需采用減速器變速，使工業(yè)吊扇傳動(dòng)部件復(fù)雜、體積大、重量增加，給運(yùn)輸和安裝帶來(lái)不便。針對(duì)上述問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)一種與工業(yè)吊扇配套專用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，可大大縮小工業(yè)吊扇傳動(dòng)部件的體積、減輕重量，巧妙地將電機(jī)與輪轂結(jié)合在一起，給運(yùn)輸與安裝帶來(lái)方便。

2 永磁盤式電機(jī)研發(fā)與應(yīng)用

現(xiàn)有機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)主要采用異步電動(dòng)機(jī)配合減速機(jī)一起使用的方式。電動(dòng)機(jī)在把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過(guò)程中，所產(chǎn)生的損耗直接影響了電機(jī)的效率和性能，電機(jī)必須要用電磁場(chǎng)作為一個(gè)媒介才能實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)意義上，電機(jī)為了產(chǎn)生作為媒介的磁場(chǎng)而必須使轉(zhuǎn)子上通過(guò)電流，而通過(guò)的電流又全部以熱能的形式消耗在電機(jī)內(nèi)部，增加了電機(jī)的損耗，降低了電機(jī)的效率以及運(yùn)行的可靠性。

傳統(tǒng)的中小型異步電動(dòng)機(jī)需要由電網(wǎng)提供的無(wú)功電流來(lái)建立磁場(chǎng)作為一種能量轉(zhuǎn)換的媒介。因此，其額定負(fù)載的功率因數(shù)僅能在0.7～0.9之間。異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)差損耗以及由各次諧波引起的諧波損耗等損耗不可避免的存在，致使異步電機(jī)的效率始終徘徊在0.7～0.9之間。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率都是按照所需傳動(dòng)系統(tǒng)的最大載荷選取，而實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載率僅僅只有30%～50%，這也就意味著實(shí)際運(yùn)行的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率大部分只能在0.5～0.7之間，個(gè)別會(huì)更低。異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線圖

永磁電動(dòng)機(jī)可以在低速條件下實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，和傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)能效果好

永磁電機(jī)除正常定子運(yùn)行電流無(wú)需額外的電流勵(lì)磁，而是由轉(zhuǎn)子上的永磁體勵(lì)磁，所以可顯著地提高功率因數(shù) （可達(dá)1甚至容性）；電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的定子電流小，可以減小電機(jī)銅耗。由于正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流，沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，因而電機(jī)整體與異步電機(jī)相比發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇尺寸，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)磨耗或產(chǎn)生極少的風(fēng)磨耗。故永磁同步電動(dòng)機(jī)相比同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)，效率一般能提高2%～8%，且在很寬的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)能夠始終保持較高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運(yùn)行時(shí)相比傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果更顯著，如圖2所示。

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線圖

（2）可以很好地滿足某些場(chǎng)合大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需求

傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)械在選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，由于異步電機(jī)在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)方面的限制，往往要選擇1.5～2倍額定負(fù)載的電機(jī)。但在正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于輕載狀態(tài)，此時(shí)異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)均很低，無(wú)法保證整個(gè)輸送機(jī)械的效率。而永磁電動(dòng)相比于異步電機(jī)，在很寬的調(diào)速范圍下都能保證電機(jī)的效率及功率因數(shù)，這個(gè)特點(diǎn)決定了其可以取代異步電機(jī)作為某些需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

（3）低速直接驅(qū)動(dòng)的需求

近年來(lái)，隨著對(duì)大轉(zhuǎn)矩直接控制的精度、減小振動(dòng)噪聲等要求越來(lái)越高，對(duì)低速電機(jī)的需求量也在不斷地增長(zhǎng)。例如，電梯中的曳引機(jī)采用永磁電機(jī)帶動(dòng)曳引輪直接拖動(dòng)電梯轎廂，提高了轉(zhuǎn)矩，取消了齒輪箱，振動(dòng)和噪聲大大降低，避免了常見(jiàn)的齒輪箱潤(rùn)滑油的滲漏污染、需要經(jīng)常維護(hù)等弊端。

（4）高功率密度的需求

永磁電機(jī)由于空間結(jié)構(gòu)小，特別適合在一般的艦艇、汽車等受自身體積限制，又要求電機(jī)具有高功率和高轉(zhuǎn)矩密度的場(chǎng)合使用，而且在這種永磁電機(jī)如果使用高性能的釹鐵硼永磁材料，還可以提升電機(jī)的磁負(fù)荷Bδ，電機(jī)的尺寸和體積都可以減小，并節(jié)省銅鐵材料；而有些采用特殊結(jié)構(gòu)供磁的電機(jī)，其最大磁負(fù)荷Bδ甚至可高達(dá)1T以上。

3 外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

（1）外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有區(qū)別，顧名思義，外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子在電機(jī)外側(cè)，與常規(guī)的永磁電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子有區(qū)別，但是其他方面，如：數(shù)學(xué)方程等均相同。樣機(jī)定子沖片與常規(guī)永磁電機(jī)一樣，也采用0.35mm～0.5mm厚的硅鋼片沖制而成。為了消除定子齒諧波和氣隙齒諧波對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響，并考慮到電機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，決定采用定子分?jǐn)?shù)槽消除諧波對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響，且定子繞組采用雙層短距繞組，以提高繞組利用系數(shù)，達(dá)到消除主要次諧波的目的。同常規(guī)永磁電機(jī)相同，為了減小電動(dòng)機(jī)雜散損耗，定子繞組采用星形接法。樣機(jī)選取轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的原則與現(xiàn)行永磁電機(jī)磁路選取原則一致，主要有表面式磁路結(jié)構(gòu)、內(nèi)置徑向式磁路結(jié)構(gòu)、內(nèi)置切向式磁路結(jié)構(gòu)和內(nèi)置混合式磁路結(jié)構(gòu)等四種磁路結(jié)構(gòu)。

（2）外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是定子和軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子在外圍靠著與軸上的旋轉(zhuǎn)軸承連接的端蓋一起旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。圖4展示了內(nèi)定子的構(gòu)造，內(nèi)定子由硅鋼片疊成，與常見(jiàn)的外定子相反，其線圈槽是開(kāi)在鐵芯圓周的外側(cè)。在定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組，繞組按三相規(guī)律分布，與普通永磁電機(jī)定子繞組一樣。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。外轉(zhuǎn)子如同一個(gè)桶套在定子外側(cè)，由導(dǎo)磁良好的鐵質(zhì)材料制成，在 “桶”的內(nèi)側(cè)固定有永久磁鐵做成的磁極，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是磁極比較容易固定，不會(huì)因?yàn)殡x心力而脫落。

圖3 外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)

圖4 定子結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

（3）外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1）定子槽型與槽數(shù)的選擇

考慮到性能制造的工藝以及成本等問(wèn)題，采用梨形槽作為定子槽形，并對(duì)定子重新開(kāi)槽，如圖6所示。

圖6 定子槽形圖

樣機(jī)采用真分?jǐn)?shù)槽繞組，有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)：

a）能夠在有限的空間內(nèi)提升永磁電機(jī)的運(yùn)行性能。由于此樣機(jī)要求低速大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)樣機(jī)的尺寸也有嚴(yán)格限制，所以就會(huì)造成有限的空間與電機(jī)性能之間的矛盾。如果采用真分?jǐn)?shù)槽，每極每相槽數(shù)小于1，可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題。

使用真分?jǐn)?shù)槽意味著用較少的電機(jī)槽數(shù)實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的多極設(shè)計(jì)，從而提升了電機(jī)的槽利用率。而電機(jī)槽利用率得到提高的好處就是將使電機(jī)繞組用銅量減少，縮短繞組的直線部分伸出長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化了電機(jī)的嵌線和連線工藝。電機(jī)的繞組用銅量減少使永磁電機(jī)定子銅耗減小，電機(jī)的溫升也會(huì)隨之減少，所以，樣機(jī)的效率等性能會(huì)有所提高。

b）利于改善樣機(jī)的反電勢(shì)波形。使用真分?jǐn)?shù)槽繞組會(huì)增強(qiáng)樣機(jī)的短距效應(yīng)和分布效應(yīng)對(duì)電

外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)速度低，轉(zhuǎn)矩大，所以采用定子槽數(shù)，定子每極每相槽數(shù)為0.8的真分?jǐn)?shù)槽繞組。機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響，這樣能充分利用樣機(jī)的有限空間去削弱有害的諧波磁場(chǎng)，減少因?yàn)辇X槽效應(yīng)而感生的齒諧波電動(dòng)勢(shì)，從而達(dá)到優(yōu)化樣機(jī)反電勢(shì)的目的，使樣機(jī)的運(yùn)行反電勢(shì)更加趨向正弦。

c）利于削弱永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。采用真分?jǐn)?shù)槽繞組會(huì)增強(qiáng)樣機(jī)的短距效應(yīng)和分布效應(yīng)，可以達(dá)到削弱氣隙磁密中的諧波含量的目的，從而削弱樣機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，減小齒槽轉(zhuǎn)矩帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲對(duì)樣機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和控制的精確性造成不利的影響。

2）轉(zhuǎn)子與氣隙設(shè)計(jì)

a）轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

考慮到樣機(jī)在制造過(guò)程中的成本以及加工工藝問(wèn)題，樣機(jī)采用了表面式磁鋼結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子不用開(kāi)槽，而且電機(jī)是外轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子可以用鋼板卷制而成，省去了開(kāi)槽模具，節(jié)約了電機(jī)的制造及設(shè)計(jì)成本。

b）氣隙長(zhǎng)度選取

一般情況下，設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)，選取的氣隙長(zhǎng)度δ要大，這是因?yàn)橛来烹姍C(jī)相比同型號(hào)的異步電機(jī)的雜散損耗要大，而適當(dāng)?shù)卦黾託庀堕L(zhǎng)度δ可以在一定的程度上抑制這種情況的發(fā)生，也利于電機(jī)裝配，并且減小電機(jī)的震動(dòng)以及噪音。電動(dòng)機(jī)的中心高和容量越大，設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)選取的氣隙長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)同型號(hào)的感應(yīng)電機(jī)時(shí)的氣隙長(zhǎng)度大的越多，一般要大0.1mm～0.3mm。

3）永磁體的設(shè)計(jì)

a）永磁體材料選擇

目前，隨著科技的不斷進(jìn)步以及合成材料的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)可供設(shè)計(jì)人員選擇的永磁材料種類越來(lái)越多。但是每種永磁材料的性能差異很大，這導(dǎo)致了不同種類的永磁材料之間的價(jià)格的差異也很大。因此，在設(shè)計(jì)大部分面向工程實(shí)際的永磁電機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在考慮電機(jī)性能的同時(shí)也要考慮適合于用戶的電機(jī)成本。永磁電機(jī)的成本問(wèn)題主要是永磁體的成本，所以應(yīng)該兼顧電機(jī)性能與價(jià)格因數(shù)，以此作為原則選擇適合的永磁材料。

選擇永磁體最主要的原則歸納為以下幾點(diǎn)：

①電機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣隙磁場(chǎng)能夠被所選擇的永磁體產(chǎn)生，并且能夠足夠大；

②應(yīng)該保證所選擇的永磁體在用戶要求的工作溫度和使用條件下的磁性能保持穩(wěn)定；

③機(jī)械特性要好，在制造過(guò)程中要方便永磁體的裝配和加工；

④經(jīng)濟(jì)性要好，要考慮所設(shè)計(jì)電機(jī)成本問(wèn)題，價(jià)格適中。

最終，確定使用N38UH型釹鐵硼永磁材料作為樣機(jī)的永磁體的材料。其剩磁密度為1.22T～1.29T，磁感應(yīng)矯頑力為 908kA/m～978kA/m。

考慮到降低永磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流損耗及加工和裝配過(guò)程中的問(wèn)題，本論文所選用的永磁體在加工時(shí)軸向上分成四段，以便于加工以及裝配。

b）轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，分為以下幾種不同的形式，分別是：表面式、內(nèi)置式和爪極式。

①表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分為表面突出式和表面插入式兩種不同的磁路結(jié)構(gòu)，表面突出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)廣泛用于恒功率運(yùn)行范圍不寬的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)以及矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)中。選用這種磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)的最大特點(diǎn)可以明顯提升自身的性能。通常情況下，有調(diào)速要求的永磁電機(jī)會(huì)采用這種磁路結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)相比于表面突出式結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)過(guò)大的漏磁系數(shù)以及過(guò)高的制造成本。

②內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)在起動(dòng)性能上以及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)都能夠較為穩(wěn)定地輸出電機(jī)的特性，因此，這種磁路結(jié)構(gòu)在要求動(dòng)態(tài)性能好以及要求具有異步起動(dòng)能力的場(chǎng)合有著較為廣泛的應(yīng)用。

③爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行性能不夠穩(wěn)定，沒(méi)有自己?jiǎn)?dòng)的能力。但是，爪極式相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及制造工藝，在一些小型的發(fā)電機(jī)等設(shè)備上應(yīng)用比較廣泛。

在選擇轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的同時(shí)還應(yīng)該考慮不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)交軸同步電抗Xq和直軸同步電抗Xd以及凸極率 （Xq/Xd）的不同。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)和永磁體的尺寸值與直軸同步電抗和交軸同步電抗的大小密切相關(guān)。為了在設(shè)計(jì)時(shí)提高電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力、功率密度、恒功率運(yùn)行范圍和電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)等參數(shù)，可以考慮使用較大的凸極率。因此，應(yīng)該在充分考慮實(shí)際需要的情況下選擇具體的磁路結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的成功研發(fā)，代替了普通交流異步電機(jī)，省去了減速器等傳動(dòng)裝置，大大縮小了工業(yè)吊扇傳動(dòng)部件的體積，使工業(yè)吊扇中結(jié)構(gòu)更緊湊更合理，減輕了整機(jī)重量，給工業(yè)吊扇運(yùn)輸與安裝帶來(lái)方便。同時(shí)電磁噪聲低、功率密度高、力能指標(biāo)好、電機(jī)效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用、拓展工業(yè)吊扇市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。