特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)工程設(shè)計(jì)研究

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摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特種車輛應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣。而特種車輛的作業(yè)能力和專業(yè)的功能主要受到永磁同步電動(dòng)機(jī)的影響，永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積小，質(zhì)量輕，可靠性高，能夠有效提升特種車輛的性能。因此，研究特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)方法就顯得十分必要。本文從特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)流程出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了它工程設(shè)計(jì)的過(guò)程，為特種車輛的發(fā)展提供了技術(shù)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：特種車輛；永磁同步電動(dòng)機(jī)；工程設(shè)計(jì)

特種車輛是指具有專用功能，載有專用設(shè)備的車輛，它與普通車輛不同，具有專項(xiàng)作業(yè)的能力。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特種車輛的品種和數(shù)量也在不斷增多。雖然取得了較大進(jìn)步，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還具有一定的差距。尤其是在建筑、采礦、石油工業(yè)等行業(yè)對(duì)特種車輛的需求不斷增加的情況下，更需要提升它的專業(yè)功能水平與技術(shù)含量。永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)特種車輛性能的提升起著重要的作用，因此，對(duì)其工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究是必然的趨勢(shì)。

1特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)要求

一般來(lái)說(shuō)，軍用領(lǐng)域的特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作溫度比較高，對(duì)永磁體和繞組的性能要求也比較高。而運(yùn)用在石油工業(yè)中的特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作溫度相對(duì)較低，一般采用釹鐵硼永磁體，它的價(jià)格偏低，工作溫度較低，并且磁性能較高，選用的絕緣材料的絕緣等級(jí)相對(duì)較低，電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度必須符合相關(guān)的要求。其次，在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量提升特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作效率。對(duì)于負(fù)載變化不大的電動(dòng)機(jī)，可以將功率因數(shù)設(shè)計(jì)得相對(duì)高一些，而如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載變化較大時(shí)，功率因數(shù)不能太高。再次，要選擇合理的電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，以提高特種車輛永磁電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)減少槽口寬等方法來(lái)減小齒槽轉(zhuǎn)矩，從而減小電機(jī)的起動(dòng)阻力矩。另外，可以適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和輸出轉(zhuǎn)矩，來(lái)改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

2特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)的選擇

2.1電機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇

永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，可以分為外轉(zhuǎn)子型和內(nèi)轉(zhuǎn)子型，我們通常所說(shuō)的永磁同步電動(dòng)機(jī)就屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子型。它的常用結(jié)構(gòu)分為表面式和內(nèi)置式。表面式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如下圖所示。它的結(jié)構(gòu)決定了它的漏磁系數(shù)比較大，凸極率較小，電機(jī)功率密度較小，并且轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度也較小。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的永磁同步電動(dòng)機(jī)在永磁體的表面安置了極靴，在極靴中可以放置銅條籠或者鑄鋁籠，它的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能都較好，具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面式轉(zhuǎn)子相比更加復(fù)雜，耗費(fèi)的成本也比較高，但是這類結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，能夠增加電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩、功率密度、過(guò)載倍數(shù)以及調(diào)速范圍。并且它的體積比較小，輸出功率大，動(dòng)態(tài)性能比較穩(wěn)定。因此，可以選擇內(nèi)置式轉(zhuǎn)子。但是該結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)也比較大，可能需要使用隔磁磁橋，而隔磁磁橋的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度和隔磁的效果，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。

2.2繞組、極數(shù)以及槽數(shù)的設(shè)計(jì)

繞組是永磁同步電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它能夠維持電機(jī)運(yùn)行的可靠性，并且實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，還對(duì)電機(jī)的用銅量和工作效率起到直接的影響?？紤]到電動(dòng)勢(shì)諧波和磁動(dòng)勢(shì)諧波的影響，可以選擇星形連接的雙層短距疊繞組，它能減小電機(jī)的雜散損耗和銅耗，由于它的端部形狀排列比較整齊，還有利于散熱和增加機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)定轉(zhuǎn)子在一個(gè)齒距內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，齒槽的轉(zhuǎn)矩就會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，而它的變化周期主要受到極數(shù)和槽數(shù)的共同影響。周期數(shù)越大，則齒槽轉(zhuǎn)矩的幅度值就越小，具體來(lái)說(shuō)，就是齒槽的轉(zhuǎn)矩周期等于極數(shù)、槽數(shù)和極數(shù)最大公約數(shù)的比值。因此，需要根據(jù)具體的情況合理地選擇電機(jī)的極數(shù)和槽數(shù)，從而削弱電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。

2.3永磁體尺寸的選擇

永磁體的尺寸對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也起著至關(guān)重要的作用。對(duì)它的尺寸選擇主要是選擇其軸向長(zhǎng)度、軸向?qū)挾纫约按呕较虻拈L(zhǎng)度。磁化方向的長(zhǎng)度直接關(guān)系到電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、過(guò)載能力以及調(diào)速的范圍。長(zhǎng)度不能太短，否則會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。在選擇時(shí)，要保證其處于最佳的工作點(diǎn)，這樣就能夠提高電機(jī)的工作效率，同時(shí)可以增大電機(jī)的功率密度。另外，還需要考慮電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，如果負(fù)荷較大，則要適當(dāng)增大其長(zhǎng)度。最后，再根據(jù)實(shí)際的情況確定電動(dòng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度和寬度。

3特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)流程

永磁同步電動(dòng)機(jī)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，因此，需要明確設(shè)計(jì)的流程，按照規(guī)定的流程進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，能夠保證其可靠性。具體的設(shè)計(jì)流程如下：首先要明確設(shè)計(jì)的要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)中包括電機(jī)的主要尺寸、定子沖片、永磁體尺寸、轉(zhuǎn)子沖片和定子繞組等，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到符合要求為止。然后要進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的磁路計(jì)算和電磁參數(shù)計(jì)算，最后要計(jì)算電動(dòng)機(jī)的工作特性和啟動(dòng)性參數(shù)，如果各個(gè)參數(shù)不能達(dá)到相關(guān)的要求，就要對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，直到符合要求為止。

4總結(jié)

綜上所述，通過(guò)對(duì)特種車輛永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程的分析，明確了它的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)流程，對(duì)其基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。這有助于提升特種車輛的作業(yè)能力，具有較深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者：閆海龍 單位：內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市華油二連分公司設(shè)備管理中心