合愉电机选择合适的电机设计，首先文中给出了三种极槽配合方案，然后设计定、转子结构参数、绕线方式、永磁体尺寸。在这些条件都相同的情况下，通过Ansoft 有限元仿真，比较 12 极 72 槽、20 极 72 槽、20 极 60 槽，三种电机的气隙磁密、空载反电势、齿槽转矩与输出转矩，研究极槽配合对电机性能的影响，为设计起重机直驱永磁电机提供参考。
1 引言
在传统的起重行业的机械装备中，由
合愉异步电动机加机械减速机构构成的驱动系统占主导地位，但其结构复杂、转动惯量大、系统整体效率低下、噪声大、润滑油渗漏污染、维护频繁等缺点。传统起重机如果取消减速机，直接由异步电机直驱几乎是不可能的。这是因为异步电动机低速运行时，电机的极对数会相应较多，此时电机励磁电流所占的比例很大，因此空载电流较大，电机的效率和功率因数很低。那么将起重机的驱动电机用永磁同步电动机替代，将会解决上述问题。由于永磁同步电机的励磁由永磁体产生，不需要定子提供额外的励磁电流，因而永磁同步电动机的功率因数可以做的很高，同时由于电机定子电流无功分量极低，故其值明显低于同极数、同容量的感应电机，特别在电机极数较多时更加明显，可使定子铜耗减小 30%～50%。永磁同步电动机易于实现多极数，且在很宽的负载范围内具有良好的效率和功率因数的特性，使得取消机械减速机，实现低速大扭矩电机直驱成为了可能。
2 电机的额定数据和结构参数
2.1 电机的额定数据
本文以设计一台 32t 起重机起升机构用永磁电机为例，讨论其电机设计方法。上海合愉电机设计参考传统异步电机加减速机机构，经换算得出电机参数：额定转速为 38.5rpm，额定转矩为17000N·m。由于安装尺寸限制，设计为内转子永磁电机直驱滚筒结构，配合 10 倍减速的齿圈，来减小电机尺寸。最终确定电机的额定参数为：额定功率：70kw；额定转速：385rpm；额定电压：380V；相数：3 相
2.2 主要结构参数的确定
2.2.1 极槽配合类型
每极每相槽数的选取，极槽配合可分为整数槽和分数槽。本文设计 12 极 72 槽、20 极72 槽、20 极 60 槽三种极槽配合，对比三种电机的性能。
合愉同步电机转速 n、频率 f、极对数 p 之间的关系：以看出降低电流频率或者增加极数可以达到低转速，三种电机额定频率分别为：38.5Hz、64.17Hz、64.17Hz。
2.2.2 定、转子设计
定子内径、铁心有效长度、电机最大转矩和电机电磁负荷之间的关系式中，Tmax 为最大转矩（一般为额定转矩的 2 倍左右），Bδ 为气隙磁密基波幅值，一般Bδ=(0.6-0.8)Br，Di1为定子内径，lef为电机铁芯有效长度，A 为电负荷有效值。选取合适的径长比 λ 带入公式可得到定子内径 Di1。
2.2.3 定子绕组的设计
定子绕组的分布对电机性能影响很大，从绕组层数上可分为单层绕组、双层绕组、单双层混合绕组；从连接方式上可分为叠式、链式、同心式等等。其中，单层绕组嵌线简单，并且没有层间绝缘，所以槽利用率较高，缺点是不能通过短矩削弱谐波。双层绕组则可以选择合适的短距来有效改善反电势和气隙磁密波形，缺点是槽中加入层间绝缘占用槽满率，且嵌线比单层的困难。本文中 12 极 72 槽、20 极 72 槽使用短距分布绕组，20 极 60 槽使用整距集中绕组，且三种都为双层绕组。
3 不同极槽配合起重机起升机构同步电机对比研究
（1）气隙磁密
永磁同步电机气隙磁密的分布对电机性能影响很大，理想情况下的波形呈正弦分布，但由于其磁路的特点，波形并不是严格正弦分布，需要采取一定措施来优化磁密波形。
（2）空载反电势
空载反电势是由气隙基波磁通在绕组中产生的，其大小影响电机的动态性能，并决定电机是工作增磁还是去磁状态，合理设计保证其正弦度，可降低定子电流，，减小谐波引起的损耗和振动。
（3）齿槽转矩
永磁体和定子铁心之间在永磁电机绕组不通电时就能相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的，产生转矩脉动。其波形周期等于极槽数的最小公倍数（LCM）。有效削弱齿槽转矩的方法有：斜槽、斜极、不等厚永磁体、调整极弧系数等等。为对比不同极槽配合下电机的性能，三种方案均采用斜槽，三种电机设计方案得到的气隙磁场均为正弦波，并存在各次谐波，经 FFT 分解后得到三种波形的奇数次谐波含量相差不大，分数槽绕组方案则会产生少量的偶次谐波。
4 总结
合愉电机三种电机设计方案，主要对比不同极槽配合对电机性能的影响，为直驱永磁电机设计提供参考。
首先方案一（12p72s）为整数槽，q=2，可采用短距分布绕组，削弱谐波，嵌线规律和绕组排布简单。缺点是额定频率较低，控制难度大，精度较低；方案二（20p72s）为分数槽，q=1.2，可采用短矩分布绕组，削弱谐波。额定频率高，控制成本低。且由仿真图可看出分数槽谐波含量最低，气隙磁密正弦度较好，齿槽转矩最小。缺点是绕组排布复杂，且存在少量偶次谐波，降低电机稳定性。方案三（20p60s），为整数槽，q=1，额定频率较高易于控制，缺点整数集中绕组带来的反电势波形畸变大，产生的齿槽转矩高，电机相对不太稳定，带来振动噪声等。
综上，起重机起升机构直驱电机选取合适的极槽配合，可以优化电机性能。合适的分数槽优于整数槽，在满足低速运行的条件下，尽量使额定频率稍高一些，即满足尺寸要求下极数尽量多一些。
