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|起重机用永磁同步电动机设计及有限元分析

【|起重机用永磁同步电动机设计及有限元分析】
曹小华 王 鑫 魏 恒
0 引言
在传统的重工业中 ， 机械设备主要由异步电动机加机械减速器机构构成系统来进行驱动 ， 但因其转动惯量大、效率低、噪声大、维护频繁和结构复杂导致加工繁琐等缺点 ， 已经不能满足我国当前发展的需求 。
永磁电动机与传统的电励磁电动机相比 ， 取消了励磁绕组 ， 用永磁体磁极代替 ， 因此永磁电动机结构更简单 ，体积更小 ，质量更轻 。 永磁电动机不仅在形状和尺寸上更加灵活多样 ， 就性能而言 ， 它损耗更小 ， 效率更高；并且永磁同步电动机还具有功率因数高、功率密度高的优点 。 近几十年 ， 随着科技不断发展 ， 高性能的永磁材料逐渐被运用到电机中 ， 其优越的能效和性能体现的日益明显 ， 因此永磁同步电机在国防、交通、航天和日常生活等各个领域中被广泛应用 。
本文基于具体工况下的起重机运行条件 ， 运用永磁同步电机设计理论 ， 设计出适合起重机这种低转速、大转矩运行特性的永磁同步电机 ， 并结合Ansoft 中的二维电磁场对所设计的电机模型进行仿真分析 ， 计算得到电磁转矩变化曲线和电感参数 ， 为永磁电机的结构优化和磁饱和特性的研究做好理论基础 。
1 永磁同步电机设计方案
根据电机使用的技术要求 ， 低速大扭矩电机具体设计参数指标见表1 。
表1 电机的设计参数指标
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1.1 电机类型选择
目前 ， 被广泛应用在工业应用中的旋转永磁同步电动机有永磁直流电动机、永磁无刷直流电机、异步启动永磁同步电动机及调速永磁同步电动机等 。 在起重行业 ， 其电机的输出特点是低转速、大扭矩 。 结合起重机运行特点 ， 永磁直流电机工作时易产生火花、存在转矩脉动 ， 导致电机寿命不长和现场操作不利 。 异步启动永磁同步电机常用于无需经常调速的设备中 。 调速永磁同步电机采用正弦电流供电 ， 配合由电力电子设备构成的控制器 ， 拥有调速范围宽、转矩和转速平稳 ， 动态响应快速准确、单位电流转矩大等优点 。
1.2 转子磁路结构设计
转子磁路结构选择原则：当电动机最高转速不是很高时 ， 选择表面凸出式转子磁路结构 。 表面凸出式转子磁路结构还具有永磁磁极易于实现多级、气隙磁密正弦性好和易于制造等优点 。 综上选用表面凸出式转子磁路结构 。
1.3 主要尺寸设计
工程实际中 ， 永磁同步电机的主要尺寸包括定子内径Dil 和铁心长度L ef 。 这2 个主要尺寸可以根据所需的最大转矩和动态响应性能指标确定 ， 如式（1）、式（2）所示 。

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本文插图

式中：T em max 为电机最大电磁转矩 ， N·m；Bδ 1 为气隙磁密基波幅值 ， T；A 为定子电荷有效值 ， A/cm 。

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式中：ρ Fe 为转子材料的密度 ， g/cm3；ω b 为转折速度 ， 也叫基本转速 ， rad/s；t b 为在最大电磁转矩的作用下 ， 电动机由静止加速到转折速度的时间 。 取气隙磁密基波幅值Bδ 1 为1.1 T ， 电负荷A 为60A/mm 。 最大转矩可以结合实际参数并运用式（3）求得 。
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根据式（1）、式（2）和式（3） ， 将表1 中参数代入 ， 计算得到电机定子内径1 300 mm ， 定子铁心长度500 mm 。
1.4 永磁体设计
1.4.1 永磁体材料选取
选用永磁体材料为钕铁硼（NdFeB） ，牌号为N42H ， 材料特性见表2 。


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