摘要：現在有很多場合需要用到低速大轉矩的驅動電機，直驅式電機相比傳統驅動電機具有顯著的優點。依照低速大轉矩自起動永磁同步電動機的技術要求初步設計了一種電機，介紹了該電機的基本結構，計算了電機的主要參數，並利用ansys、matlab軟件，採用時步有限元法進行了仿真計算，並對仿真結果進行了一定的分析。
關鍵詞：低速 自起動 永磁同步電動機 設計分析
隨著科學技術的發展，越來越多的場合需要用到低速大轉矩的驅動裝置，普通電機轉速較高，在日常應用中需輔助一定的減速機構，這既降低了效率，又造成設備上的浪費。文獻[5]提出根據pn=60f，在頻率確定情況下，增加電機的極對數可大幅度地降低轉速，同時輸出較大轉矩，這種電機可用於低速直接傳動，能夠省齒輪箱等笨重的減速機構，因此具有很好的應用前景。
本文提出的多極永磁同步電動機，在極對數數倍於普通電機的情況下，鐵芯槽數並不提高太多，與極數接近，提高了電機的單位體積出力。從文獻[1]可知本電機的結構和設計方法均與傳統電機有很多不同之處，與傳統的永磁同步電動機相比，其顯著的特點有：多極的磁路安排，繞組分配特殊；電機重量減輕，電機體積小，具有高功率密度(單位體積所產生的轉矩大)；具有自起動能力。
文章給出了設計方案，介紹了該電機的結構，然後給出了電機時步有限元仿真結果，並對仿真結果進行一定的分析研究，最後提出了設計的不足之處和需要改進的地方。
1 電機的基本設計方案
1.1 模型機規格
此電機的極數為30，定子槽數為36，由於極槽數接近，與傳統交流電機的一個極下有3相繞組的結構形式有較大差別，每極每相槽數為分數，即2/5。
電機永磁體嵌放於轉子側，採用內置切向式結構。
電機的主要尺寸是依照y400-6系列電機的規格作為參考確定的。永磁同步電動機為減小過大的雜散損耗，降低電動機的振動與噪聲和便於電動機的裝配，其氣隙長度一般要比同規格的感應電動機的氣隙大。所以此電機選用氣隙時選了一個較大的值。電機規格
詳細參數如下：
功 率: 315 kw 額定相電壓: 380 v
額定頻率: 50 hz 額定轉速: 200 r/min
額定轉矩：1.504×104 n·m
定子外徑: 63 cm 定子內徑: 49 cm
氣隙長度: 0.25 cm 轉子外徑: 48.5 cm
轉子內徑: 20 cm 每槽導體數: 24
磁鋼矯頑力: 880 ka/m 定子鐵芯長: 80 cm
電機定子鐵心材料: dw470-50硅鋼片
1.2 電機主要參數
依照《電機設計》中路的方法對電機進行初步設計[3]，然後進行了程序編制，利用程序計算出有限元仿真時所用到的一些主要參數，計算結果如表1所示
表1.仿真用主要參數
定子繞組每相電阻（ω）
轉子每段端環電阻（ω）
定子端部漏抗（ω）
轉子端部漏抗（ω）
0.01044
2.5281×10-6
1.5637×10-5
7.7731×10-6
2 時步有限元仿真
該仿真方法結合了ansys軟件平臺與matlab編制的時步有限元計算程序[6]。
2.1 永磁同步電動機電磁場數值計算
電機電磁場的計算一般歸結為某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必須結合具體問題的特定邊界條件才能獲得唯一的解答。求解的過程較為複雜, 考慮到實心轉子永磁同步電動機設計精度高的要求, 本文采用有限元法對其電磁場進行數值計算。
永磁電機內電磁場瞬態邊值問題可用公式(1)來表示[4]：
其中ω為求解區域，γl為定子鐵心外圓邊界，γ2為永磁體和其他媒介的交界。ν1，ν2為不同介質的磁阻率，δ為永磁體等效面電流密度，且δc=hc×n，hc為永磁體矯頑力。
2.2 仿真過程
首先，在ansys軟件中對模型機進行建模[6]。具體步驟如下：
依據所設計電機的規格數據，對樣機建立物理模型，用ansys繪製電機剖視圖，如圖1所示。
給電機中各個部分賦不同的材料號以便區分各個性質不同的區域。
對截面圖進行網格剖分。此處採用了剖分精度為7，三節點自由剖分模式，依據經驗，此精度已經能夠滿足計算精度。電機整體剖分圖如圖2所示:
將剖分後所得的節點、單元、邊界信息從ansys中導出，形成三個文本文件，以便之後進行時步有限元計算時所用。
將由ansys導出的三個文本文件導入用matlab軟件編制的時步有限元程序中，賦上電機相應的參數，調試程序，進行模型機的起動過程仿真。
2.3 仿真結果
電機額定負載起動時的電磁轉矩曲線如圖3所示：
轉速隨時間變化的曲線如圖4所示。由於脈振轉矩和諧波磁場的存在，低速時電機的起動特性並不是十分理想。轉速圍繞同步速振盪，振盪幅度隨著轉速的升高而減小，並最終牽入同步。
圖5為額定負載起動時電機反電勢的變化規律。
電機額定負載起動時的定子電流變化曲線如圖6所示：
3 仿真結果的分析
採用時步有限元法對樣機模型在滿載起動時進行仿真計算，通過對負載條件下瞬變電磁場的求解，得到仿真計算結果。
文獻[2]中提出自起動永磁同步電動機在起動過程中既有平均轉矩（異步轉矩、磁阻負序分量轉矩、發電制動轉矩），又有脈動轉矩，且這些轉矩的幅值均隨電動機轉速的變化而變化。永磁同步電動機在起動0.4秒後牽入同步，此時，定子電流波形逐漸恢復至正常範圍，電機進入同步運行狀態。從起動過程仿真曲線可以看出，電機能牽入同步，正常起動。
4 結論
本文設計了一種可直接起動的低速大轉矩永磁同步電機。此電機模型仿真出了起動曲線，但是由於其結構的特殊性，氣隙磁密偏高，因此有些結構可以完善修改，初步考慮的方案有：減小永磁體厚度，適當加大電機定子內外徑，加大氣隙長度等方法。
所研究得到的理論和仿真結果可作為進一步研究這類電機的基礎和依據。
參考文獻
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[2] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計，北京：機械工業出版社， 2008, 05.
[3] 陳世坤.電機設計，北京：機械工業出版社，2004, 02.
[4] 倪光正,楊仕友.工程電磁場數值計算.北京:機械工業出版社.2010,04,01.
[5] 敬立發,黃海宏.一種新穎的多極低速永磁同步電機[j].東北電力技術.2000,05:27-30.
[6] 張蔚,梁惺彥,陸國平,易龍芳.基於場路結合法的永磁同步電動機設計分析軟件[j].微電機.2008,11:23-25.
[7] prakashraj kasinathan,anders grauers, essam s. hamdi, forcedensity limits in low-speed permanent-magnet machines due to saturation, ieeetransactions on energy conversion, vol. 20, no.1,march,2005.
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