实心转子永磁同步电动机气隙长度与性能研究

    乔呜忠，张晓锋

(海军工程大学，湖北武汉430033)

    摘要：采用有限元法计算了实心转子永磁同步电动机在不同的气隙长度条件下的气隙磁密、空载反电动势、功率因数、效率和起动转矩，在计算过程中考虑了定转子相对运动及定子斜槽等因素；22 kw实心转子永磁同步电动机的计算和实验结果表明，电机气隙长度对气隙磁密、空载反电势、功率因数、效率和起动转矩均有较大的影响。

    关键词：永磁同步电动机；实心转子；气隙长度；功率因数；效率

    中图分类号：TM341    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)04—0012一03

O引  言   

    实心转子永磁同步电动机与实心转子异步电动机类似，他们的定子结构均与普通异步电动机相同，而转子为实心铁磁圆柱体内嵌入永磁体。整个电机与其他类型永磁电机相比，结构简单，转子的机械可靠性高；起动性能好，起动转矩大而起动电流小，特别适合于重载起动；由于电机运行于同步转速，转子铁心的涡流损耗大幅降低，克服了实心转子异步电动机效率和功率因数较低的缺点。该类电机已在油田游梁式抽油机中得到应用。

    实心转子永磁同步电动机是在异步电动机基础上的改进设计，即采用异步电动机的机座(包括定子冲片)，经过计算，选定气隙长度，进而确定转子尺寸。因此，电机气隙长度的选取显得极为重要，为此，需要直接进行电机电磁场的数值计算和分析^[1-3]。本文采用有限元法对实心转子永磁同步电动机电磁场进行数值计算，在计算过程中考虑了定转子相对运动及定子斜槽等因素，分析、计算了实心转子永磁同步电动机不同的气隙长度与气隙磁密、相反电动势、功率因数、效率和起动转矩的关系，最后对一台自行设计的22 kw实心转子永磁同步电动机进行了实验研究。1实心转子永磁同步电动机电磁场数值计算。

    电机电磁场的计算一般归结为某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必须结合具体问题的特定边界条件才能获得****的解答。求解的过程较为复杂，考虑到实心转子永磁同步电动机设计精度高的要求，本文采用有限元法对其电磁场进行数值计算。

    如图l所示，一对极内稳态电磁场问题可表示成边值问题：

式中：Ω为求解区域，s₂为第二类边界，L为电机内各媒质分界线。

    剖分单元采用了精度较高的曲边四边形，它的边可以不是直线。在单元内任一点的磁位A，可以认为是该单元的四个节点磁位的函数，因此可以构成一个磁位插值函数^[1]。对式(1)进行求解，可以

得到电机内各节点的矢量磁位值A_z，进而，可获得电机内各点的磁密和相绕组电势。

    电机内各节点的磁密可表示为：

   一个电枢绕组线圈边的一根导体单位长度的平均电势可表示为：

式中：A_b为槽面积。如果线圈边划分为n_e个单元(有N，匝)，则一个线圈边的平均电势为：

式中：l_ef为铁心有效长度，s为单元面积，i、j、m、n为四边形单元的节点号，各绕组的电势都是由线圈边电势组成的，所以可得相绕组电势：

由式(5)可知，相绕组电势与电枢长度、匝数及电机磁场有关。

2定转子相对运动及定子斜槽处理

    定转子的相对运动采用运动气隙边界法，其实质是在静止的定子部分采用静止坐标系，在转动的转子部分采用旋转坐标系，分别列出方程，利用运动气隙边界将静止部分和转动部分连接起来，以得到整个区域的解^[5]。

    在中小型电机中，为了削弱定子绕组的齿谐波电势，常采用定子斜槽的措施，用路的方