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)

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)

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。在工程实践上具有一定的参考价值。

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

0 引言

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠；体积小、质量轻；损耗少、效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域[1]。

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，定子在内的永磁同步电动机。其既具有永磁同步电动机定子激磁电流小，力能指标高、易于调速和节能效果好等优点，又具有转动惯量大、散热好、节省铜线、电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,电动机的发展水平直接决定着电梯的高级程度,其性能直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平层精度和乘坐舒适性等指标[2]。对外转子永磁同步电动机的尺寸、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转子永磁同步电动机具有重要意义。

本文设计了一款167r/min、36槽30极、335V、11.6kW的外转子永磁同步电动机，给出了详细的电磁设计过程，确定了电动机的主要参数，并且利用ANSYS/Maxwell有限元仿真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能够降低电机的振动与噪声。

1 外转子永磁同步电动机的参数确定

1.1 主要技术指标

本方案的电动机额定电压UN=335V,额定功率PN=11.6kW，额定转速nN=167r/min,额定电流IN=21A，效率η=90%。

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Di1和铁心长度L，尺寸和计算功率P、转速nN、电磁负荷A等参数有关[3]。

(1)

式中，计算功率P=1.15×PN=13.34kW；额定转速nN=167r/min；极弧系数αi=0.8；气隙磁场波形系数Kφ；正弦波磁场取1.11；基波绕组系数KW，本电磁方案采用集中绕组形式，故取为0.966，电负荷A=400A/cm，永磁材料为钕铁硼，它剩磁高，故气隙磁密平均值Bδ=0.78，综合考虑实际客观因素，本电磁设计方案取Di1=450mm，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。钕铁硼永磁材料是目前磁性能最强的永磁材料，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，要达到相同的抗去磁能力和输出转矩，电动机的体积会相应地增大。曳引机用外转子永磁同步电动机作为驱动电梯的动力源，必须要考虑电动机的输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。

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[4]。

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[5]。考虑电动机制造成本和制造工艺，永磁体的充磁厚度为hm=5mm。

2 电磁设计流程

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Bδ来确定电动机的基本主要尺寸。电磁设计流程如图2所示。

图2 电磁设计流程

根据上述的电磁设计，本文设计的外转子永磁同步电动机主要参数如表1所示。

表1 电动机主要参数

根据以上电动机的基本参数，利用电磁场有限元分析软件ANSYS/Maxwell 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。

图3 电动机的二维有限元模型

3 电动机有限元仿真结果及分析

3.1 永磁体优化分析

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。

图4 不同极弧系数时齿槽转矩的波形

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N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t=2p/D，定子绕组谐波磁场的谐波次数为：V=±2(3k±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=±(6k±1)/D。式中k=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

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、-15、21、-33、39、-51、57…

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。

图5 定子气隙磁密波形

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

图7 转子气隙磁密波形的傅里叶分解

3.4 径向力波分析

根据Maxwell应力方程可知，对电机的振动与噪声影响较大的是力波次数小于或等于4的径向力波。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=u±v计算获得，式中u表示转子磁场谐波极对数，v表示定子磁场谐波极对数。表5为36槽30极永磁同步电动机的径向力波分析。

表5 径向力波分析

在分析电动机振动和噪声时，4阶以上力波的影响是可以不予考虑的。从表5中可以看出，36槽30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，从而不会引起较大的振动与噪声。

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的输出转矩波形。由图8可知，优化后输出转矩波形比优化前输出转矩波形更加平滑。优化前输出转矩的平均值为652.66 N·m，优化后输出转矩的平均值为663.68 N·m，最大值为679 N·m，最小值为647.33 N·m。转矩波动率γ可以反映电动机输出转矩的平稳性[6]，表达式为式(2)所示，代入相关数据可得γ=4.8%，表明了此外转子永磁同步电动机转矩波动小，电动机的性能良好。

(2)

式中，Tmax—最大转矩；Tmin—最小转矩；Tavg—平均转矩。

图8 电动机的输出转矩

4 结语

本文设计的这款167r/min、36槽30极、335V、11.6kW的外转子永磁同步电动机，通过电磁设计方法确定电动机的主要参数，并利用ANSYS/Maxwell有限元分析软件进行建模，优化永磁体得到最佳极弧系数来达到降低齿槽转矩的目的，优化后电动机的输出转矩的波形更加平滑，平均值更大，分析了分数槽电动机的定转子磁场以及径向力波，为分析电动机的振动与噪声提供了一定的参考。

[1] 唐任远.现代永磁电机[M].北京:机械工业出版社,1997.3-11.

[2] 王丽峰.无齿轮电梯用低速大转矩永磁同步电动机的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2004.

[3] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社,2000.

[4] 田艳飞,黄开胜.基于Maxwell的外转子无刷直流电动机分析与设计[J].微特电机，2014,42(2):18-20.

[5] 陈贤阳,黄开胜.高性能风机用外转子无刷直流电机的设计与研究[J].微电机，2014,47(7):26-30.

[6] 陈贤阳,黄开胜.五相永磁容错电机设计与故障控制[J].电机与控制应用，2014,41(8):22-27.

Analysis and Design of Outer-Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor

HuangGuangjian,WuBangchao,andFangChao

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

An outer-rotor permanent magnet synchronous motor with 167r/min, 30 poles and 11.6kW was designed. A 2D finite-element 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 analyzed. 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.

Outer-rotor permanent magnet synchronous motor；electromagnetic design；cogging torque；air-gap magnetic field；radial force wave

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.02

TM351

A

1008-7281(2017)01-0006-005

黄光建 男 1990年生；在读硕士研究生,研究方向为外转子永磁同步电动机的设计.

2016-07-26