基于永磁同步电动机的结构设计与仿真分析

高志远，李家学，张惟

（广东理工学院工业自动化系，广东肇庆，526100）

0 引言

由于在传统起重、采矿和冶金行业中，所使用的大部分的电机采用的是异步电动机，其输出的力矩和速度受到一定的限制[1]。虽然可以通过添加中间传递装置—机械减速机达到正常运作的目的，但是异步电机和减速器构成的驱动系统结构复杂、转动惯量大、效率低、噪声大、润滑油渗漏污染、维护频繁等缺点，这些都不利于驱动系统的控制，不能较好的体现其优势，更加无法适应现代工业和制造业的发展要求[2]。

随着永磁材料性能的提升和完善，永磁电动机的性能不断提升，结合我国的稀土资源的优势，大力发展永磁电机的发展，提高电机的性能，推广永磁电机的应用范围，对我国的经济发展奠定良好的基础[3]。

1 永磁电机的结构分析

永磁同步电动机具备体积小、重量轻、结构简单、效率高、可以实现直驱控制等优点，将永磁电机应用到起重行业实现整个起重系统低速、大扭矩、低噪声的特性是一个相当有意义的项目[4]。

随着永磁电动机结构的不断改进，设计者将起重机的永磁电机、减速箱、起重卷筒三个重要零部件组成一体，将永磁电机的转子看成起重机的卷筒，其定子看作转动轴，并直接固定在机架上，这样有效的简化了起重机的结构，提高了传动效率和使用寿命。起重机采用永磁电机的结构如图1所示。

图1 永磁电机的结构

根据起重机用永磁同步电机的特点，对起重机用永磁同步电机的电磁设计、参数选取原则等相关技术进行研究，设计一台4极18槽永磁同步电机，该电机的主要性能指标参数如下：额定功率为7.5KW，额定转矩为580Nm，额定转速为1500rpmin，额定的工作电压为380V，绝缘等级为F级，最大外径为400mm。

2 永磁电机的结构设计

由于该起重机在不同负载下使用的频率不同，据统计永磁同步电机工作负载大于满负荷80%的时间处于全部工作时间的50%以下，因此该电机应该考虑设计为轻载状态，以此保证电机拥有较高的使用寿命和良好的控制性能。

■2.1 转子磁路的结构设计

由于该驱动系统处于轻负载下运行，电机的调速范围较小，我们初选表面凸出式的转子磁路结构，径向布置磁路，这样使得电机的转子结构具有质量小、成本低廉、磁路面积较大等优点。

■2.2 永磁体材料的选择

随着永磁材料的蓬勃发展，其材料的种类也多种多样，材料的选择直接决定永磁电机的性能的好坏和成本的高低。一般选择要符合的条件：第一，永磁同步电机在工作过程中能够产生足够强的气隙磁场，并且方便制造加工和安装，以达到设计电机的技术要求和性能参数；第二，电机在低速大扭矩运行时，其电枢产生的电流较大，对材料的磁力能力破坏严重，因此选用的材料需矫顽力较大，抗去磁能力强；第三，永磁材料应具有持久、稳定的磁力，尤其是在严酷的环境下，不能发生衰减或消失，这样才能保证电机的长期可靠运行。

■2.3 电枢绕组的设计

起重机采用永磁同步电机作驱动机构时，由于电机工作过程中铜耗较大，一般设计时应尽量提高永磁同步电机的每一极气隙磁通，适当的减小匝数来降低电机的铜耗。永磁同步电机的电枢绕组的设计采用分数槽绕组。由于起重机用永磁同步电机极数较多，如果选用整数槽绕组时，则电机的定子槽数较多，就会使得齿部宽度降低，导致齿部磁密的饱和度不高，不利于每一极气隙磁通的优化，甚至影响电机的性能。同时，分数槽绕组的跨距较小，线圈端部长度减小，电机的铜耗就会降低。

■2.4 极弧系数的选择

极弧系数是永磁同步电机的一个重要参数，该参数的直接影响永磁电机的隙磁场谐波畸变率的大小，进而影响电机的整体性能。该参数一般在0.60～0.95 之间进行取值，得到永磁同步电机空载情况下的不同极弧系数对气隙磁场的谐波畸变率的变化曲线，如图2所示。

图2 不同极弧系数气隙磁场谐波畸变率

从图2中分析得出，极弧系数从 0.6增加到0.95的过程中，气隙磁场谐波畸变率的变化数值是先减小后增大；在极弧系数为 0.7 时，气隙磁场谐波畸变率最小，其数值为15%，极弧系数为 0.95时，气隙磁场谐波畸变率最大，其数值为35%。

3 永磁同步电机的仿真分析

通过对永磁电机的设计，建立永磁同步电机的样机模型，并采用试验的方式进行对比分析。在试验过程中给永磁同步电机380V的交流电压，测量其电压、电流、转速、输出扭矩、输入功率、输出功率和效率等参数，并与Maxwell的仿真的计算值作比较，得到结果如表1所示。

表1 Maxwell仿真的结果与样机的结果对比

从上述表1的结果可以看出，通过Maxwell的理论值与计算值比较后，其差值的百分比均小于4%，该误差在工程允许的范围内，该电机运行平稳，噪音小、电气控制良好，验证了该设计优化方案的合理性。

4 总结

通过对起重机的永磁同步电机进行了设计分析研究，分析了转子内径、转子的结构、极弧系数以及材料选取等性能参数的设计，将其设计得到的结果与样机进行比较，所设计的永磁同步电机符合样机的性能指标。同时通过对永磁同步电机的结构设计，使其结构更加的紧凑、体积小、重量轻、噪声低、节能节材、安全可靠，改变了传统起重机的传动结构，有效地减轻了起重设备的体积和质量，提高了驱动系统的整体效率。

* [1]柳阳.基于永磁调速技术的起重机工作机构动力学分析[D].太原科技大学,2017.

* [2]程力,何伟,施文丽,常娜.桥式起重机起升机构动力学建模及仿真分析[J].机械制造,2016,54(06):5—8.

* [3]解洪超,于海生.永磁同步电机调速系统的实现与实验研究[J].青岛大学学报(工程技术版),2015,30(02):1—6.

* [4]曹小华,魏恒,王鑫.永磁同步电机在港口起重机不同工况下的温度对比[J].起重运输机械,2017(07):1—5.