|起重机用永磁同步电动机设计及有限元分析( 三 )
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图8 t =1 s 时磁力线分布图
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图9 t =1 s 时磁通密度云图分布图
由仿真可知 ， 磁力线分布和磁密云分布都是随时间周期性变化 。 从图中可看出 ， 磁力线在定子齿轭处集中明显 ， 并且瓦片状永磁体两边磁通密度比中间部分大 ， 也是最容易发生磁路饱和的地方 。 低转速、大扭矩的工况下 ， 永磁同步电机容易发生磁饱和现象 。 因此 ， 观察电机磁力线分布和磁通云密度随电机运行的变化情况是解决磁饱和的基础 。 此研究有利于在低速重载情况下 ， 实现考虑磁饱和情况下永磁同步电机的控制 。 图10 ～图12 分别为电机在保持转速为22 r/min 时的转矩、定子电流和绕组磁链随时间变化的曲线 ， 这些曲线直观表现了电机的运行特性 。
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图10 转矩随运动变化曲线
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图11 三相定子电流随运动关系曲线
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图12 绕组磁链随运动关系曲线
由图10 可知 ， 转矩随电机运动而不断变化 ， 最开始呈线性上升的趋势 ， 之后幅值不断变化 ， 在0.6 s时 ， 转矩最终趋于稳定 ， 稳态电磁转矩有效值为41.25kN·m 。 理想情况下 ， 定子电流和反电动势为正弦波的波形 ， 不会产生转矩脉动 ， 电磁转矩为定值 。 但实际中 ， 电机由永磁体励磁 ， 气隙磁场含有较多谐波 ， 反电动势也会因此产生较多谐波 ， 再加上齿槽转矩的作用 ， 转矩无法维持定值 ， 出现周期性的转矩脉动 。 从转矩变化图中得到 ， 稳态转矩振幅为0.625 kN·m ， 仅占稳定电磁转矩的1.5% 。 因此 ， 该电机稳定性达到要求 。 从图11、图12 可知 ， 三相定子电流和绕组磁链变化趋势相似 ， 在0.05 s 时B 相电流和B 相绕组的磁链出现最大值 ， 随后电流和磁链都随电机转动呈现正弦变化 ， 不难看出磁链随电流呈线性变化 。 电流变化和RMxprt 校验时所得变化曲线完全吻合 ， 因此 ， 该永磁同步电机有限元仿真结果正常 ， 数据可用 。
3 结论
结合现代永磁同步电机设计理论 ， 设计出满足实际应用中所需技术要求的起重机用永磁同步电机 ， 即通过计算得到主要尺寸的三相50 极表面式永磁同步电机 。 利用Ansoft 中RMxprt 模块对电机初步尺寸进行校验并确定最终尺寸 ， 同时得出转矩角在20°～ 40°之间时 ， 电机效率最高 ， 为85.4% ， 满足设计参数要求 。 最后将电机模型导入到二维电磁场中进行有限元仿真 ， 分析电机磁场和转矩随运动的变化规律 。 结果表明 ， 稳态转矩为41.25 kN·m ， 振动幅值大小为0.625 kN·m ， 转矩脉动较小 ， 满足应用要求 。 本次建模与仿真不仅为起重机用永磁同步电机的结构设计与优化提供方案 ， 还为进一步研究低转速大转矩条件下永磁同步电机的控制策略提供仿真数据与规律等理论基础 。
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