安跃军 杨维国 胡鑫 黄鑫 王光玉 孔祥玲 毕德龙

摘 要：针对小型真空干泵用永磁电机下线困难的工程问题，提出一种采用模块化定子结构方法，将定子形式由整体式变为拼装式，并以9槽6极表贴式永磁同步电机为研究对象，采用有限元法选取抑制拼装式电机齿槽转矩和转矩脉动的的最优槽口，引入整体式电机进行对比，建立拼装式与整体式电机的二维模型，并进行电磁场与温度场仿真，综合分析拼装式与整体式电机的性能差异，结果表明拼装式电机的齿槽转矩、气隙磁密谐波含量和温升等都优于整體式电机。研制拼装式电机的样机并进行电机性能实验，得到了电机的性能数据。实验结果与仿真结果一致，进一步验证了拼装式电机的可行性，为新产品批量生产提供了科学依据。

关键词：真空干泵;拼装式定子;齿槽转矩;温度场;性能实验

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.014

中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：1007-449X（2020）03-0114-09

Abstract：Aiming at the problem of smallscale vacuum dry pump permanent magnet motors going offline， a modular stator structure method is proposed to change the stator form from monolithic to assembled， and a 9slot 6pole surfacemounted permanent magnet synchronous motor is chosen as the research object. The optimal slot for suppressing cogging torque and torque ripple of the assembled motor was selected by the finite element method， and the integrated motor was introduced for comparison. A twodimensional model of the assembled and integrated motor was established， and the electromagnetic field was performed. With the temperature field simulation， comprehensive analysis of the performance difference of the assembled and integrated motors， the results show that the cogging torque， air gap magnetic flux harmonic content and temperature rise of the assembled motor are better than the integrated motor. The prototype of the assembled motor was developed and the motor performance experiments were performed to obtain the performance data of the motor. The experimental results are consistent with the simulation results， further verifying the feasibility of the assembled motor， and providing a scientific basis for mass production of new products.

Keywords：vacuum dry pump; assembled stator; cogging torque; temperature field; performance experiment

0 引 言

随着真空技术的不断的发展，真空获得设备在航空航天、食品加工、医疗、国防、电子等行业都有了广泛的应用[1]。传统真空系统是有油的，并且在生产过程中产生的物质具有腐蚀性、凝结性和毒性，这些物质与真空泵中的油相混合，会造成真空泵泵油变质，由工艺过程中产生的化学产物和颗粒副产物也会影响真空泵的性能，使真空泵不能运行破坏本身以及周边的环境[2]。传统的真空系统已经不能满足实际工况的要求，所以研究具有可靠性高、适应性强、无污染的真空干泵已经是真空获得设备的一个重要的方向[3]。

真空干泵驱动电机的性能直接影响了真空干泵的过载能力、振动噪声、极限真空度以及能耗等级[4]。驱动电机一般采用异步电机和永磁同步电机，采用异步电机，会导致真空干泵体型大、噪声大、耗能高，且只能使用于工作空间充裕的场合。随着人们对节能、高效、空间利用率的要求越来越高，为适应晶圆厂等生产空间有限的应用场合，研究体积小、低振动、低噪音的新型结构永磁同步电机作为真空干泵驱动电机具有重要的工程实用价值。

目前对拼装式电机的研究如下，文献[5]提出了一种定子的新型结构，通过计算定子单个模块所需的最小槽数，以及相对应的绕组短距系数，从而提高了的绕组的利用率;文献[6-7]利用有限元法研究一种绕组不等拼装式定子结构，求解出单边磁拉力，并以改变拼装式定子齿宽和定子之间位置差结构有效的减小了合成磁拉力;文献[8-10]通过计算不同形状定子拼装处凹槽电机齿槽转矩大小来选择效果最好的形状;文献[11]设计了一台定子新型结构的永磁电机，并优化了电机的转矩密度;文献[12]设计定子形式为拼装式的电机，将电路、磁路负荷分别计算进行优化，从而有效的提高了电机的转矩密度和效率。但是，电机性能受气隙磁密、损耗、温度等影响，上述文献均没有针对这些问题做深入研究。

[11] 吉敬华，孙玉坤，朱纪洪，等.模块化永磁电机的设计分析与实验[J].电工技术学报， 2010， 25（2）：22.

JI Jinghua， SUN Yukun， ZHU Jihong， et al. Design analysis and experiment validation of a modular permanent magnet machine [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（2）： 22.

[12] 颜建虎，汪盼，费晨.模块化开关磁阻式横向磁通电机设计与分析[J].中国电机工程学报， 2018， 38（22）：270.

YAN Jianhu， WANG Pan， FEI Chen. Design and analysis of modular switched reluctance transverse flux motor[J]. Proceedings of the CSEE， 2018， 38（22）： 270.

[13] ALBERTI L， BARCARO M， BIANCHI N. Design of a lowtorqueripple fractionalslot interior permanentmagnet motor [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2012， 50（3）：1801.

[14] 安跃军，殷福久，王光玉，等.真空泵屏蔽电动机温度场与屏蔽套应力场分析[J].沈阳工业大学学报，2016， 38（2）：121.

AN Yuejun， YIN Fujiu， WANG Guangyu， et al. Analysis for temperature field and can stress field ofvacuum pump canned motor [J]. Journal of Shenyang University of Technology， 2016， 38（2）： 121.

[15] 郭淑英，李坤，彭俊.采用分數槽绕组降低永磁同步电机齿槽转矩的研究[J].大功率变流技术，2013（1）：56.

GUO Shuying， LI Kun， PENG Jun. Study on reducing cogging torque of permanent magnet synchronousmotor with fractionalslot windings [J]. High Power Converter Technology， 2013（1）： 56.

[16] HEINS G， BROWN T， THIELE M. Statistical analysis of the effect of magnet placement on cogging torque in fractional pitch permanent magnet motors [J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2011， 47（8）：2142.

[17] 张琪，梁冰洁，黄苏融，等.槽口宽度对分数槽集中绕组永磁电机齿槽转矩的影响[J].电机与控制应用， 2015（7）：1.

ZHANG Qi， LIANG Bingjie， HUANG Surong， et al. Effect ofslot opening on cogging torque of permanent magnet synchronous motor with fractionslot concentrated winding [J]. Electric Machines and Control Application， 2015（7）：1.

[18] 李争，聂雅盟，薛增涛，等.液质悬浮式三自由度电机电磁特性的计算分析[J].电机与控制学报，2017（4）：16.

LI Zheng， NIE Yameng， XUE Zengtao， et al. Calculation and analysis of electromagnetic characteristics of liquid suspension type threedegreeoffreedom motor [J]. Electric Machines and Control， 2017（4）：16.

[19] 裴锋，薛勇.定子焊槽对永磁电机空载反电势的影响[J].微特电机， 2015，43（6）：16.

PEI Feng， XUE Yong. Influence of stator core welding slots on pm motor's noload of back emf [J]. Small & Special Electrical Machines， 2015， 43（6）：16.

[20] 梁艳萍，李伟，王泽宇，等.高速感应电机转子涡流损耗的计算方法及影响因素[J].电机与控制学报，2019， 23（5）：42.

LIANG Yanping， LI Wei， WANG Zeyu， et al. Calculation method and effect factors of eddy current losses in rotor of high speed induction motor [J]. Electric Machines and Control， 2019， 23（5）：42.

[21] 安跃军，张强，李文瑞，等.新型移相式屏蔽电动机屏蔽套涡流与温升分析[J].西安交通大学学报，2014， 48（6）：50.

AN Yuejun， ZHANG Qiang， LI Wenrui， et al.Eddy losses and temperature rise on shielded can in canned motor with new phaseshifted structure [J]. Journal of Xi'an Jiaotong University， 2014， 48（6）： 50.

[22] 安跃军，张振厚，张强，等.干式涡旋真空泵用特种电机温度场仿真与实验[J].电机与控制学报，2017， 21（8）：48.

AN Yuejun， ZHANG Zhenhou， ZHANG Qiang， et al. Temperature field simulation and experiment of special motor for dry scroll vacuum pump [J]. Electric Machines and Control， 2017， 21（8）： 48.

（编辑：贾志超）