自起動永磁同步電動機穩態運行鼠籠電流分析*

賈宏新，符 榮，竇滿鋒

(1.上海電力學院，上海 200090;2.渭南師范學院，陜西渭南 714000;3.西北工業大學，陜西 西安 710072)

0 引言

永磁同步電動機(PMSM)不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時轉子損耗小，進而可以減小風扇(小容量電機甚至可以去掉風扇)和相應的風摩損耗，效率比同規格異步電動機高2.8%。同時，PMSM在25% ～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。目前，PMSM主要應用在油田、紡織化纖工業、陶瓷玻璃工業和年運行時間長的風機水泵等領域[1]。

具有自起動能力的稀土PMSM的定子與普通異步電動機的定子相同，轉子上同時裝設有鼠籠條和稀土磁鋼，異步起動同步運行。它綜合了異步電動機和同步電動機的優點，起動操作方便，運行時效率高、功率因數高，常用于油田抽油機。

國內、外的研究大多集中在轉子結構和起動性能上[2-3]，對于穩態運行時的轉子損耗，通常認為轉子鼠籠條上不產生感應電流，即無穩態電流。而實際樣機中，確實存在轉子溫升過高的問題，而且是鼠籠槽部的溫度比齒部的溫度高[4]。這說明，穩態運行時鼠籠條中一定存在電流，即存在穩態轉子銅耗。

為了提高每相的電壓，15 kW以上的自起動稀土PMSM的定子繞組有時采用△聯接方式[3-4]，這勢必會造成3及3倍數的諧波環流的存在。本文在文獻[4]的基礎上，對該類電機穩態運行時的諧波電流進行分析。

1 氣隙磁場分析

采用有限元技術對某油田抽油機用稀土PMSM進行分析，該電機的主要技術參數如表1所示。

表1 電機主要技術參數

圖1為該電機的轉子結構示意圖，方塊形的永磁體鑲嵌在轉子中。由于永磁體產生的氣隙磁場波形基本上是平頂波，同時定、轉子開槽，使得氣隙磁場波形呈鋸齒形方波，其諧波分量很大。因此，PMSM氣隙磁場波形比異步電動機的氣隙磁場差，也比直流勵磁的凸極電動機氣隙磁場差。通常凸極同步電動機可以選擇適當的極靴寬度和不均勻氣隙長度來改善氣隙磁場的波形，使之接近正弦波，而PMSM轉子就很難加工成不均勻氣隙長度。

圖1 轉子結構圖

氣隙磁場諧波分量在定子上以nf1頻率交變(n為諧波次數，f1為基波頻率)，使定子鐵耗增加，諧波分量在定子繞組中感應諧波電動勢，使定子銅耗增加，影響PMSM效率，同時，氣隙磁場諧波分量還會產生諧波附加轉矩，使起動過程中的電磁轉矩產生振蕩。因此，氣隙磁場諧波分量對電動機運行和起動性能不利。

使用有限元軟件MagNet分析的空載氣隙磁場分布如圖2(a)所示，氣隙磁密波形如圖2(b)所示，對氣隙磁密進行諧波分析，得到圖2(c)所示的各次諧波含量，可以看出，氣隙中含有很高的3次諧波含量。含有系列諧波的氣隙磁場在定子繞組中感應的反電動勢和諧波分析分別如圖3(a)、3(b)所示，相電勢中含有較高的三次諧波分量。

圖2 空載氣隙磁場分析

2 齒槽轉矩分析

齒槽轉矩是永磁電機最重要的性能之一，它的存在會造成電機的轉矩波動、振動和噪聲。對于自起動PMSM，由于定、轉子雙邊開槽，增加了齒槽轉矩的復雜性。

圖3 定子繞組反電動勢波形

傳統的解析分析是假設鐵心的磁導率為無窮大，電機內的磁場能量近似為電機氣隙和永磁體中的能量。考慮到永磁體嵌在鐵心內部，可以認為其中的能量不隨定、轉子相對位置的變化而變化，進而不產生齒槽轉矩，不予考慮。因此，可以認為齒槽轉矩僅由氣隙中的磁場能量產生，通過傅里葉展開，可以得到磁場能量和齒槽轉矩[5]。這種電機的齒槽轉矩分析比單邊開槽的表面式永磁電機復雜。

本文采用數值分析，運用虛功法，由有限元仿真得出齒槽轉矩如圖4所示。

圖4 齒槽轉矩波形

3 穩態運行分析

PMSM定子繞組采用Y聯接時，可以消除3及3倍數的諧波分量產生的影響。當定子繞組采用△聯接時，氣隙中的3次諧波磁場會在定子繞組中感應環流，該環流會形成極對數為3np的脈振磁場(np為電機極對數);當轉子以同步速旋轉時切割該磁場，阻尼繞組會感應6次諧波電流，進而產生6次脈振轉矩，使轉速產生波動。采用瞬態運動求解器，對△聯接和Y聯接兩種方式進行對比仿真，仿真時設定外加的定子每相電壓相同。

選取帶額定轉矩負載穩態運行時20 ms內的數據進行對比分析，如圖5～9所示。從圖5可以看出，穩態運行且采用△聯接時，3次諧波電流達到了基波的77%。諧波產生的磁場在阻尼條中感應較高的電流(見圖6、7)，進而產生諧波轉矩(見圖8)，引起轉速的波動(見圖9)。同時，分析了定子繞組采用Y聯接的波形，可以看出，Y聯接時電機電流諧波較小，阻尼電流、轉矩、轉速波動都比△聯接時小。除了3次諧波環流產生阻尼電流外，定子5、7、9、11等諧波電流也會在阻尼繞組中產生諧波電流，例如定子5次和7次諧波磁通會在阻尼繞組中感應6次諧波電流。阻尼條中的電流主要包含6次及其倍數次諧波分量，對應的轉矩也按照同樣的諧波次數波動。

圖5 定子每相電流波形

4 起動過程分析

采用△聯接也會對起動過程產生不利影響，如圖10所示。在接近同步速時，轉矩有較大凹陷，不利于起動。

5 損耗分析

圖6 阻尼條電流波形(編號為1，編號見圖1)

圖7 阻尼條電流波形(編號為4)

圖8 轉矩波形

圖9 轉速波形

圖10 起動過程仿真

穩態運行的△聯接樣機，其轉子溫度可達到130℃。試驗時，在電機轉子鼠籠條的齒部和槽部都埋有溫度傳感器，對穩態運行的電機進行多次測量，結果總是槽部的溫度明顯高于齒部的溫度。這反映出，運行時鼠籠條中一定存在電流和銅損耗。

根據負載穩態運行的仿真結果，計算出鼠籠條的電流和銅耗(籠條銅耗，pcu2)，電機轉子齒數為44，可計算出穩態運行時的轉子銅耗。兩種定子繞組聯接方式下的結果如表2所示，表中數據為穩態運行20 ms內的平均損耗值，其中籠條編號見圖1中的標注。

從表2可以看出，△聯接時的穩態籠條銅耗為250.24W，占額定輸出功率的1.137%，而Y形聯接時，穩態籠條銅耗為91.85 W，只占到0.418%。無論何種方式，穩態籠條銅耗對于自起動稀土PMSM都是不可忽視的。在設計電機時，應該考慮到穩態轉子銅耗的影響，這對于提高電機效率，增強電機性能有實際意義。

表2 籠條損耗(平均損耗值)

6 結語

從本文的理論和仿真分析可以看出:由于諧波磁場的作用，穩態運行的自起動稀土PMSM鼠籠條中有電流流過，產生轉子銅耗。定子繞組采用△聯接時，阻尼電流和損耗會大大增加，進而使得轉子溫升增大。因此，該類電機的定子繞組宜用Y形聯接，慎用△聯接，以降低阻尼電流和轉子銅耗，減小溫升和轉矩轉速波動。下一步將對轉子結構，特別是阻尼槽的結構進行優化設計和分析。

[1]唐任遠.稀土永磁電機的關鍵技術與高性能電機開發[J].沈陽工業大學學報，2007，27(2):162-166.

[2]吳亞麟.稀土永磁同步電動機氣隙磁場的研究[J].中小型電機，2004，31(5):32-34.

[3]薄保中，蘇彥民，謝力華，等.抽油機用稀土永磁同步電動機的研制[J].微電機，2000，33(5):48-49.

[4]符榮，竇滿鋒，賈宏新.稀土永磁同步電動機穩態運行的轉子銅耗分析[J].微特電機，2006(6):11-13.

[5]王秀和.永磁電機[M].北京:中國電力出版社，2007.

[6]李智，張曉鋒.一種分析同步電機阻尼繞組中感應電流的方法[J].船電技術，2007，27(1):9-12.