风机用外转子电机的设计与分析

2013-7-4 12:48| 发布者: chenl| 查看: 1965| 评论: 0

摘要: 永磁电机具有损耗低、结构紧凑、效率高的特点，随着永磁材料、电力电子技术、集成电路技术和电机控制技术的发展，永磁电机得到越来越广泛的应用。在现代工业生产和生活中，风机、水泵的数量十分巨大，消耗的电能十分可观。

作者：梁伟单位：浙江大学

[ 摘要 ]

    永磁电机具有损耗低、结构紧凑、效率高的特点，随着永磁材料、电力电子技术、集成电路技术和电机控制技术的发展，永磁电机得到越来越广泛的应用。在现代工业生产和生活中，风机、水泵的数量十分巨大，消耗的电能十分可观。
    随着工业的发展，环境保护的问题越来越受到人们和政府的关注，越来越严格的节能降耗的法案已经相出台。节能降耗已是企业和个人不得不关注的领域。传统风机水泵使用的有刷直流电机结构复杂，由于电刷和换向片的滑动接触，导致可靠性差，维护周期短。而异步电机与电励磁同步电机效率较低。因此在风机、水泵领域推广使用永磁电机，可以提高效率，降低成本，节省电能。
    风机使用外转子结构电机可以把转子磁轭直接置于风轮的型腔内，使结构简化，整个风机结构紧凑。本文根据要求对一台风机用大功率三相外转子永磁同步电机进行了有限元分析。讨论了电机的定、转子结构，绕线方案，使用电机设计软件motersolve对电机的齿槽转矩、反电势及运行性能进行了有限元分析。仿真结果表明，电机符合设计要求，且效率高，长期运行不会导致过热问题。

1 前言

近年来随着中国经济的迅猛发展，人民生活水平的快速提高，我们对能源的需求越来越大，资源对外的依赖程度也日益严重，据统计2011年，我国一次能源消费量居世界第二位，进口原油2.53亿吨，对外依存度高达56.5%。能源问题不仅对经济影响大，它也必然引起一系列环保问题，二氧化碳、二氧化硫、粉尘等大量的排放，对人民生活环境，全球大气系统造成很大的损害。因此能源问题已经成为了影响我国发展的战略性问题，在国家十一五计划中明确也提出了节能减排的要求。电能作为最主要的二次能源，也必然是最主要的节能对象。目前，环境恶劣影响案例频发，环境保护问题越来越引起了国家和个人的重视，越来越严格的环境保护法案相继出台，节能降耗已经成为个人和企业不得不关注的问题。风机在各行各业的应用非常之多，其消耗的电能占电能总量的比例很大。传统风机多使用有刷直流电机、异步电机和电励磁同步电机。然而，有刷直流电机结构复杂，由于电刷与换向片的滑动接触，导致电机的可靠性较差，维护周期短，给生产和生活带来了许多不便，已经淘汰。异步电机和电励磁同步电机效率较低，大量的电能被浪费掉。永磁电机具有效率高，结构紧凑，节省材料的特点。近些年，随着永磁材料价格的降低，永磁电机得到越来越广泛的应用，在风机领域推广应用永磁电机具有重要经济意义。
本文针对风机用永磁电机的设计要求，对一台风机用大功率三相外转子永磁同步电机进行了分析，讨论了定、转子结构和绕线方案，对电机设计方案进行了电磁场仿真分析。分析计算了电机的气隙磁密、齿槽转矩、反电势及其他一些运行性能。仿真结果表明电机的设计方案符合设计要求，电机具有较高的效率，电机长时间运行不会局部过热问题。

2 主要技术指标

本文所研究的电机额定电压为250V，额定负载（即电动机带风机负载）、自由通风（风筒内外没有压力差时）状态下的主要技术指标为，额定功率50kW，额定电流200A，额定转速为4000r/min。

3 电机结构的分析讨论
3.1 转子结构
3.1.1 转子结构选择

永磁同步电机主要有两种结构，内转子结构和外转子结构。内转子结构的永磁电机可以广泛应用于各种领域，不用特别考虑整体安装问题。相比内转子结构，外转子永磁同步电机具有以下优点：在相同的体积和电参数条件下可以提供较大的磁通以产生更大的转矩；在内定子上绕线比较容易，生产效率高，生产成本低。尤其对于风机应用，外转子电机的转子磁轭可以直接置于风轮的型腔内，由此构成的风机整体结构紧凑，节省材料，降低了生产成本。本文讨论的风机用永磁同步电机选用了外转子结构。