第５２ 卷（总第ｌ９４期） （ＥｘＰＬｏｓ１ＥＸＰＬＯＳ１０Ｎ—ＰＲｏｏＦ ０Ｎ—ＰＲＯＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ）） ｒ万 卜ｌ爆也 Ｉ艺 ｂ 外转子永磁同步电动机的分析与设计 黄光建，吴帮超。方超 （广东工业大学自动化学院，广东广州５１０００６） 摘要设计了一款１６７ｒ／ｍｉｎ、３６槽３０极、１１．６ｋＷ的外转子永磁同步电动机。利用ＡＮＳＹＳ／ Ｍａｘｗｅｌｌ有限元分析软件建立了该款电动机的二维有限元仿真模型，对齿槽转矩、定转子气隙磁 场、输出转矩进行了仿真，对径向力波进行了分析，结果表明该款电动机的力波次数均为０，有利于 降低电动机的振动与噪声。在工程实践上具有～定的参考价值。 关键词外转子永磁同步电动机；电磁设计；齿槽转矩；气隙磁场；径向力波 ＤＯＩ：１０．３９６９／Ｊ．ＩＳＳＮ．１００８－７２８１．２０１７．０１．０２ 中图分类号：ＴＭ３５１文献标识码：Ａ文章编号：１００８－７２８１（２０１７）０１－０００６－００５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｕｔｅｒ・Ｒｏｔｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｈｕａｎｇ Ｇｕａｎｇｆｉａｎ，Ｗｕ Ｂａｎｇｃｈａｏ，ａｎｄ Ｆａｎｇ Ｃｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎ ｏｕｔｅｒ－ｒｏｔｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ １６７ｒ／ｍｉｎ，３０ ｐｏｌｅｓ ａｎｄ １ １．６ｋＷ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａ ２Ｄ ｆｉｎｉｔｅ：ｅｌｅｍ’ｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ／Ｍａｘｗｅｌｌ ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ａｉｒ—ｇａｐ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ，ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏｒｑｕｅ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗａｖｅ ｗａｓ ａｎａ— ｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｗａｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｒｅ ａｌｌ ｚｅｒｏ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｏｕｔｅｒ－ｒｏｔｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ； ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ；ａｉｒ—ｇａｐ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗａｖｅ Ｏ 引言 步电动机的尺寸、齿槽转矩、电磁噪声等提出新的 要求。因此，合理的电机设计对于较大功率的外 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是 转子永磁同步电动机具有重要意义。 稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠；体积小、 本文设计了一款１６７ｒ／ｍｉｎ、３６槽３０极、 质量轻；损耗少、效率高；电机的形状和尺寸可以 ３３５Ｖ、１１．６ｋＷ的外转子永磁同步电动机，给出了 灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几 详细的电磁设计过程，确定了电动机的主要参数， 乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的 并且利用ＡＮｓＹＳ／ＭａｘｗｅＵ有限元仿真软件建立 各个领域…。 了该款电动机的二维有限元仿真模型，对齿槽转 外转子永磁同步电动机与普通的永磁同步电 动机在结构上相反，是一种转子在外，定子在内的 矩、定转子气隙磁场、输出转矩进行了仿真，对径 永磁同步电动机。其既具有永磁同步电动机定子 向力波进行了分析，结果表明该款电动机能够降 激磁电流小，力能指标高、易于调速和节能效果好 低电机的振动与噪声。 等优点，又具有转动惯量大、散热好、节省铜线、电 １ 外转子永磁同步电动机的参数确定 动机的效率和输出功率高的优点。曳引机作为电 梯传动系统的主要组成部分，驱动电梯的动力源， １．１主要技术指标 电动机的发展水平直接决定着电梯的高级程度， 本方案的电动机额定电压ＵＮ＝３３５Ｖ，额定功 其性能直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平 率Ｐ ＝１１．６ｋＷ，额定转速ｎ ＝１６７ｒ／ｍｉｎ，额定电 层精度和乘坐舒适性等指标＿２］。对外转子永磁同 流ＩＮ＝２１Ａ，效率叼＝９０％。 ６ 防爆＇皂 Ｉｂ （ＥｘＰＬ０ｓＩｏＮ—ＰＲ００Ｆ ＥＬＥｃＴＲＩｃ ＭＡｃＨＩＮＥ） 第５２ 期） １．２电动机主要尺寸的确定 根据电机的设计原理，电动机主要尺寸包括 定子外径Ｄ 和铁心长度￡，尺寸和计算功率Ｐ、 转速凡Ⅳ、电磁负荷Ａ等参数有关 。 Ｄｉ１ ２ｎＮＬ—向气隙，为了避免电动机在负载时电枢反电动势 过大，对永磁材料发生不可逆的去磁作用，需要合 理的设计永磁体的厚度 。考虑电动机制造成本 和制造工艺，永磁体的充磁厚度为ｈ ＝５ｍｍ。 Ｐ —： ｚ ＫｒｅＡＢ８ （１） ２ 电磁设计流程 一………一 本文的设计思路是首先根据公司的技术要求 确定定转子结构和永磁体材料性能，再由计算功 率Ｐ、电负荷Ａ、气隙磁密平均值 来确定电动机 式中，计算功率Ｐ：１．１５×ＰⅣ＝１３．３４ｋＷ；额定转 速ｎ ＝１６７ｒ／ｍｉｎ；极弧系数 ＝０．８；气隙磁场波 形系数 ；正弦波磁场取１．１１；基波绕组系数 ，本电磁方案采用集中绕组形式，故取 的基本主要尺寸。电磁设计流程如图２所示。 为０．９６６，电负荷Ａ＝４００ＡＺｅｍ，永磁材料为钕铁 硼，它剩磁高，故气隙磁密平均值Ｂ ：０．７８，综合 估算Ａ，马确定电动机的基本尺 考虑实际客观因素，本电磁设计方案取Ｄ ＝ 寸 ，１和三 ４５０ｒａｍ，Ｌ＝８３ｍｍ。 １．３磁性材料的选择 对于永磁电机而言，如果电动机转子尺寸相 同，那么电机的转矩与气隙磁密成正比，而气隙磁 密与磁性材料密切相关。目前，永磁电机所采用 的磁性材料主要是钕铁硼和铁氧体。钕铁硼永磁 — 一 材料是目前磁陛能最强的永磁材料，它剩磁高，最 高可达１．４７Ｔ，矫顽力最高可超过１０００ｋＡ／ｍ，是 普通铁氧体的３～４倍。若采用铁氧体励磁，要达 图２电磁设计流程 到相同的抗去磁能力和输出转矩，电动机的体积 根据上述的电磁设计，本文设计的外转子永 会相应地增大。曳引机用外转子永磁同步电动机 磁同步电动机主要参数如表１所示。 作为驱动电梯的动力源，必须要考虑电动机的输 表１电动机主要参数 出转矩是否符合电梯提升重物的要求。综上所 述，在电动机尺寸允许的情况下，使用钕铁硼作为 永磁体材料是合适的选择。 １．４磁极结构的选择 表贴式外转子永磁同步电动机常用的磁极结 构有瓦片状和圆筒状，如图１所示。 根据以上电动机的基本参数，利用电磁场有 ０ ０ 限元分析软件ＡＮｓＹｓ／Ｍａ】【ｗｅｌ１ ２Ｄ分析外转子永 磁同步电动机瞬态的电磁过程以及建立电动机的 二维有限元模型，如图３所示。 （ｂ）圆筒状 图１常用磁极结构 本电磁设计方案采用瓦片状磁极，它更容易 产生均匀的气隙磁密波形，更方便对永磁体的结 构进行优化 Ｊ。 １．５永磁体厚度的选择 对于表贴式结构电动机来说，永磁体直接面 图３ 电动机的二维有限元模型 ７ 第５第卷（总第１２ ９４萁习）） （ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ 一 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ）） 爆也机 侨Ｅ ３ 电动机有限元仿真结果及分析 ３．１永磁体优化分析 定子绕组谐波磁场极对数为：Ｖ＝±Ｐ（６ｋ± １）／Ｄ，式中ｋ＝０，１，２… 即３、一ｌ５、２１、一３３，３９、一５１、５７… 齿槽转矩是永磁电动机特有的问题，它是由 永磁体和电枢齿相互作用而产生的磁阻转矩。过 在Ｍａｘｗｅｌｌ ２Ｄ模型中，将转子磁钢材料设为 空气，给电机加载额定电流源，这样就可以得到仅 电枢电流作用时的气隙磁密波形，如图５所示。 对定子气隙磁场波形进行傅里叶分解可得各次谐 波及幅值如表３所示。 大的齿槽转矩会导致转矩波动，引起电机的振动 与噪声，影响电机的稳定运行。因此有必要削弱 永磁电动机的齿槽转矩。对于表贴式外转子永磁 同步电动机，可以方便地通过优化永磁体的极弧 系数来达到降低齿槽转矩的目的，如图４所示。 表２是与图４相对应的。同时还可以改善气隙磁 密的波形，降低谐波对磁场的影响。由图４、表２ 可以明显看出当极弧系数为０．８６时，齿槽转矩幅 值最小。 ２０．００ ｌ５ ０ｏ 百∞０ｏ 芎 ００ ００ 一５ ００ ００ －ｌ５ ００ －２０ ００ 图４不同极弧系数时齿槽转矩的波形 表２、不同极弧系数时齿槽转矩的最大值 ３．２定子气隙磁密 分数槽绕组是指每极每相槽数ｑ＝Ｚ／２ｐｍ＝ Ｎ／Ｄ＝分数的绕组，其中Ｄ≠１，且Ⅳ和Ｄ是没有 公约数的。对于三相分数槽电动机，当Ｄ为偶数 时，单元电机数 ＝２１，／Ｄ，定子绕组谐波磁场的谐 波次数为：Ｖ＝±２（３ｋ士１）／Ｄ；当Ｄ为奇数时，单 元电机数为ｔ＝ｐ／Ｄ，定子绕组谐波磁场的谐波次 数为：Ｖ＝士（６ｋ±１）／Ｄ。式中．ｉ｝＝０，１，２…；两个 “±”号应取得一致，带负号谐波的旋转方向与不 带负号的相反。本文是３６槽３０极永磁同步电动 机为研究对象，因此电动机的每极每相槽数为 Ⅳ ３６ ２ ’ｇ 一Ｄ 丽 了 一 １＜ Ｄ＝５为奇数，单元电机数： ＝ ＝ ＝３ ８ 图５定子气隙磁密波形 表３定子谐波次数及幅值 谐波极对数 谐波幅值／Ｔ ０．０５８９１ ０．１７２９２ ０．１２８９５ ０．ｏｏ７４１ ０ 波 盯 ； Ⅲ ０．００４３６ ０．０６２２８ ０．Ｏ６０５０ ０．０ｏ５２３ ０．００１９８ ０．Ｏ４１８８ ０．Ｏ４２７８ ０．Ｏ０４ｌ８ ０．０ｏ０８９ Ｏ．０２９１５ ０．０３０８７ ３．３转子气隙磁密 根据已建立的二维有限元模型，将电流源设 置为零，可以得到永磁体优化后转子气隙磁密波 形如图６所示。对转子气隙磁密波形进行傅里叶 分解得到各谐波次数及幅值如表４所示。各谐波 柱状图如图７所示。 图６转子气隙磁密波形 爆＇色机 （ＥｘＰＬｏｓ１０Ｎ—ＰＲｏ０Ｆ ＥＬＥｃＴＲＩｃ ＭＡｃＨＩＮＥ） 第５２ 期） 表４转子谐波次数及幅值 表５径向力波分析 谐波极对数 谐波幅值／Ｔ ９ １５ ４５ ５１ ７５ ８７ ９３ ｌｏ５１２３１２９１３５１５９１６５１９５ ２０１ ２２５ ２３ｌ ２３７ ２５５ ０．０３９７０ ９ ．＃又 盯 １．１６１８４ 拼 ０．２８８６４ ０．Ｏ４５２２ ０．０８９１５ ０．Ｏ４６９８ Ｏ．Ｏ２２７７ ０．Ｏ４３６９ ０．０３５２８ ０．０３７２９ ０．Ｏ４８１５ ０．Ｏ４２８２ Ｏ．０６４３２ ０．０２７９４ 在分析电动机振动和噪声时，４阶以上力波 ０．０３６３０ 的影响是可以不予考虑的。从表５中可以看出， ０．０２６１５ ３６槽３Ｏ极电动机的低阶力波次数均为０，０阶力 波不会使定子铁心产生不对称的弯曲变形，从而 ０．０２３１０ 不会引起较大的振动与噪声。 ０．０２２６６ ３．５输出转矩 图８是外转子永磁同步电动机在稳定运行时 １．４０ １ ２０ 的输出转矩波形。由图８可知，优化后输出转矩 ｌ ００ 波形比优化前输出转矩波形更加平滑。优化前输 巴０ ８０ 出转矩的平均值为６５２．６６Ｎ・ｍ，优化后输出转矩 馨０．６０ ０．４０ 的平均值为６６３．６８Ｎ・ｍ，最大值为６７９Ｎ・ｍ，最小 一 ０．２０ 值为６４７．３３Ｎ・ｍ。转矩波动率 可以反映电动机 Ｏ ００ －－一一 －一一一＿＿一一一 ９ １５ ４５ ５１ ７５ ８７ ９３ １２３ １２９ｌ３５ Ｉ５９１６５１９５ ２０１ ２２５ ２３ｌ２３７ ２５５ 输出转矩的平稳性 ｊ，表达式为式（２）所示，代人 谐波极对数 相关数据可得Ｙ＝４．８％，表明了此外转子永磁同 图７转子气隙磁密波形的傅里叶分解 步电动机转矩波动小，电动机的性能良好。 ３．４径向力波分析 ｙ＝ ￣１００％ ㈤ 根据Ｍａｘｗｅｌｌ应力方程可知，对电机的振动 式中， 一最大转矩； 一最小转矩； 一平均 与噪声影响较大的是力波次数小于或等于４的径 转矩。 向力波。由于分数槽绕组的定子磁场的谐波分布 比整数槽的密，更容易产生力波次数小于或者等 于４的径向力波，从而使振动噪声加大。径向力 波次数可通过公式ｒ＝ ± 计算获得，式中、 表 示转子磁场谐波极对数， 表示定子磁场谐波极 ”・ Ｔ ｛ 。１ ・对数。表５为３６槽３０极永磁同步电动机的径向 电动机的输出转矩 力波分析。 （下转１３页） ９ 防爆晓机（ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ） 第５２２卷（总第１０１７年第１９期 ４期） 定为０．１０ｍｍ。热套温度为２００￣Ｃ，满足装配要 支撑板板材料屈服极限 ，为２ｌ５ＭＰａ，安全系数 求 １．９７ 车【【】套最大处应力２８３ＭＰａ，采用高强度合金 支撑板承受的径向载荷分为两部分：一部分 钢，屈服极限 为３５５ＭＰａ，安全系数１．２５ 为自身离心力； 一部分为导电环与支撑板之间 的摩擦力。根据导电环压紧力对支撑板产生的径 ３ 结语 向压力（２．３节训‘算结果）、紧固螺栓予贡紧力、转速 大功率高转速无刷励磁电机需要结构强度 和轴套过盈量等建立边界条件，对转轴轴向和支 人，可稚性高的旋转整流盘，我公司研制的旋转整 撑板轴向施加约束，采用有限元分析，其边界条件 流盘在结构上完全满足了用户的要求。目前陔型 详见图６，应力分析结果见图７。 整流盘及电机在现场运行状况良好，证明本文介 绍的设计方法合理，对于同类整流盘的设计具有 蘸 固 一定的参考价值和实用意义。 参考文献 ［１］ 李幼倩，韩君强．现代新犁无刷恸磁 步电动饥的 设计及应ＩＨＪ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．１． ［２］ ：斌，九一澜．材料力学［Ｍ］，北 ：高等教育ｍ 版 ：，２００８．１． 图６计算结构边界条件 ［３］ 郑情．机械设计手册．北京：机械Ｊ一业出版社， ２０ｌ０．１． 一 跺 “ ［４］ ：｛Ｅ京兆迪科技有限公司．ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎ（‘ｈ １４．０结 Ｈ ＾ 构分折快速入ｌ’］、进阶与精通［Ｍ］．北京：电 Ｉ 业山皈 ，２０１４． ■０ ｆｌ＾５ｈ Ｍ… 作者简介：刘兆江男 １９７３年生；毕业于哈尔滨理工 大学电机与电器专业，硕士研究生。现从事电机设计开发 图７超速工况支撑板、轴套应力分布 工作． 根据计算结果，支撑板最大应力处１０９ＭＰａ， 收稿日期：２０１６－０８－０Ｉ （上接９页） ，１９９７．３一ｌ１． ［２］Ｔ－．ｍ，ｉ￣－．无齿轮电梯用低速大转矩永磁川步电动机 ４ 结语 的研究［Ｄ］．沈阳：沈阳工业大学，２００４． 本文设计的这款１６７ｒ／ｒａｉｎ、３６槽３０极、 ［３］ 陈＿Ｌ【＿Ｊ＝坤．电机设计［Ｍ］．北京：机械上业…版｝］：， ２０００． ３３５Ｖ、１ １．６ｋＷ的外转子永磁同步电动机，通过电 ［４］ …｝色飞，黄开胜．基于Ｍａｘｗｅｌｌ的外转了‘ 删 流电 磁设计方法确定电动机的主要参数，并利用ＡＮ— 动机分忻上ｊ设计［Ｊ］．微特电机，２０１４，４２（２）：ｌ８—２０． ＳＹＳ／Ｍａｘｗｅｌｌ仃限元分沂软件进行建模，优化永 ［５］ 陈贤阳，黄开胜．高性能风机用外转 无刷 流电 磁体得到最佳圾弧系数来达到降低齿槽转矩的目 机的设计 ｊ研究［Ｊ］．微电机，２０１４，４７（７）：２６—３０． 的，优化后电动机的输出转矩的波形更加平滑，平 ［６］ 陈贤阳，黄开胜．五相永磁容错电机设计与故障控 均值更大，分析了分数槽电动机的定转子磁场以 制［Ｊｊ．电机与控制应用，２０１４，４１（８）：２２—２７． 及径向力波，为分析电动机的振动与噪声提供了 一定的参考 作者简介：黄光建 男 １９９０年生；在读硕士研究生， 参考文献 研究方向为外转子永磁同步电动机的设计． ［１］ 唐住远．现代永磁电机［Ｍ］．北京：机械工业出版 收稿日期：２０１６４）７—２６ ｌ３
