1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

對(duì)于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，要求其有較高的轉(zhuǎn)矩密度，還要減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。特別是對(duì)于低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)，即使脈動(dòng)與額定轉(zhuǎn)矩的比值較小，由于其轉(zhuǎn)速低時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)值較大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值很大，電機(jī)運(yùn)行過程中可能有明顯的頓挫感，引起嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲。

一方面影響直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度；另一方面較大的脈動(dòng)可能使電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)生剛性疲勞，造成氣隙偏心等故障，縮短傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。對(duì)用于發(fā)電設(shè)備的低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)而言，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)水平直接決定發(fā)出電能的質(zhì)量，是主要性能指標(biāo)。

低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)通常極槽數(shù)較多，并且有時(shí)額定頻率較低，氣隙磁場畸變嚴(yán)重。另外對(duì)于電動(dòng)機(jī)，低頻時(shí)變頻控制器的輸出諧波分量增加，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和電樞電流的畸變更為嚴(yán)重，導(dǎo)致紋波轉(zhuǎn)矩增大。

文獻(xiàn)[68]基于轉(zhuǎn)速僅為50r/min的低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)，研究112極120槽、116極120槽、118極120槽和80極120槽四種超高極數(shù)、槽數(shù)配合下電機(jī)的磁拉力和振動(dòng)情況。根據(jù)分析結(jié)果說明了如何選擇極槽配合，使電磁振動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都在較低水平。該研究對(duì)超低速永磁直驅(qū)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)有指導(dǎo)意義。

2 氣隙偏心及機(jī)械強(qiáng)度的研究

徑向磁通低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)的外徑尺寸和質(zhì)量通常較大，容易引起氣隙偏心故障。諸自強(qiáng)教授等針對(duì)永磁電機(jī)氣隙偏心對(duì)不平衡磁拉力及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響作了相關(guān)研究。不平衡磁拉力是指電機(jī)不對(duì)稱的磁路或電路使得氣隙磁密圓周分布不對(duì)稱，因而在定轉(zhuǎn)子間所產(chǎn)生的徑向電磁力，磁拉力和齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，加劇電機(jī)轉(zhuǎn)軸的磨損，轉(zhuǎn)軸磨損使氣隙偏心惡化。

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)體積較大，電機(jī)內(nèi)徑通常也較大，沖片有效利用率不高，為降低電機(jī)質(zhì)量減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)際生產(chǎn)中常常采用輪輻式轉(zhuǎn)軸如圖9所示。輪輻式磁路結(jié)構(gòu)能夠提高永磁體利用率，使氣隙中產(chǎn)生更高的磁通密度，越來越多的應(yīng)用于永磁盤式電機(jī)。聚磁式結(jié)構(gòu)提高了橫向磁通電機(jī)的永磁體利用率，但存在機(jī)械強(qiáng)度較差的不足。

圖9 輪輻式電機(jī)轉(zhuǎn)軸

低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，分析電機(jī)結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度和轉(zhuǎn)軸應(yīng)力分布，檢驗(yàn)其抗疲勞能力對(duì)保障電機(jī)的運(yùn)行可靠性具有重要的意義。

文獻(xiàn)[72]中研究了電機(jī)轉(zhuǎn)軸靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的受力情況，基于有限元法提出一種新型計(jì)算方法，用于校核轉(zhuǎn)軸機(jī)械應(yīng)力、撓度和安全系數(shù)。文獻(xiàn)[73]中分析了輻條式轉(zhuǎn)軸的軸向撓性振動(dòng)特性并構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。輪輻式結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)是輔板與軸體曲面的焊縫，其受到較大作用力，可能出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫甚至軸斷裂。以工程力學(xué)理論為基礎(chǔ)結(jié)合焊接學(xué)相關(guān)理論，運(yùn)用有限元法計(jì)算應(yīng)力分布找到應(yīng)力集中點(diǎn)，探究緩解焊縫應(yīng)力集中的方法，能夠提高輪輻式結(jié)構(gòu)的可靠性。

文獻(xiàn)[76]在不同負(fù)載條件下，分析了聚磁式橫向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心上的應(yīng)力分布，校驗(yàn)了機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度，為橫向磁通電機(jī)可靠性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。

3 溫度場分析及散熱的研究

溫升是永磁電機(jī)的主要性能指標(biāo)，溫升過高可能使繞組絕緣老化發(fā)生相間短路的嚴(yán)重故障，永磁體過熱會(huì)導(dǎo)致退磁使電機(jī)的輸出功率大大降低。溫升關(guān)系到電機(jī)能否長期可靠運(yùn)行，對(duì)于低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)溫升計(jì)算更為必要：一方面其轉(zhuǎn)速較低自扇冷卻的效果變差；另一方面其功率密度低熱負(fù)荷小可能僅需自冷卻。因此分析其內(nèi)部溫度場分布情況確定局部過熱點(diǎn)，對(duì)電機(jī)冷卻方式的選擇和設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)作用。許多國內(nèi)外學(xué)者致力于電機(jī)溫升的算法改進(jìn)，構(gòu)建更加準(zhǔn)確的三維溫度場模型，探索改善散熱條件的新方法。

文獻(xiàn)[81]以一臺(tái)160kW 90r/min的低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)為研究對(duì)象，提出一種轉(zhuǎn)子端部加裝散熱風(fēng)刺與轉(zhuǎn)子開設(shè)通風(fēng)道的轉(zhuǎn)子散熱方法。以對(duì)流換熱理論為基礎(chǔ)通過流固耦合算法，探究了不同尺寸散熱風(fēng)刺和不同位置、數(shù)量、尺寸的徑向通風(fēng)道對(duì)空氣流動(dòng)的增強(qiáng)作用，分析轉(zhuǎn)子永磁體的散熱效果并計(jì)算溫升，通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了散熱方法的有效性和溫升計(jì)算的準(zhǔn)確性。

準(zhǔn)確的熱路分析是估算橫向磁通電機(jī)最大輸出功率的關(guān)鍵。David A. Howey針對(duì)橫向磁通電機(jī)直流通風(fēng)構(gòu)建幾何模型，研究定子對(duì)流換熱，與三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果對(duì)比，該模型對(duì)電機(jī)定子熱傳導(dǎo)效果作保守估計(jì)，在此基礎(chǔ)上給出多種提高冷卻效果的方案。

（摘編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)研究綜述與展望”，作者為鮑曉華、劉佶煒等。）低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)研究綜述與展望