自起動永磁同步電機不同轉子磁路結構的對比研究*

宋中陽， 劉明基， 李和明， 陳偉華

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206;2.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

與傳統異步電機相比，自起動永磁同步電機(Line-Start Permenent Magnet Sycchronoys Motor，LSPMSM)具有功率因數高、效率高等優點，已成為高效甚至超高效節能電機的一個重要發展方向，因此得到越來越多的重視和研究［1］。自起動永磁電機設計中的關鍵問題之一是磁路結構的選擇，即轉子永磁體的放置方式。由于永磁體通常放置在轉子上，其形狀、尺寸及放置方式影響到永磁體用量、氣隙磁密乃至電機的性能。根據永磁體放置的位置不同，分為表面式和內置式兩種轉子結構。但表面式轉子結構的起動導條在轉子內部產生的異步起動轉矩較小，僅適合于起動性能要求不高的場合，對起動性能要求較高的自起動永磁電機多采用內置式轉子結構。內置式轉子磁路結構可分為并聯式、串聯式和串并混聯式。并聯式結構的缺點是電機正反轉時電樞反應程度不同，造成運行性能的不同，目前已較少采用［2-3］。因此關于自起動永磁電機轉子磁路結構的研究多集中在串聯式和串并混聯式結構上。文獻［4］研究了在保證其他各種參數不變的前提下永磁體嵌放深度對LSPMSM運行性能的影響。文獻［5］計算分析了串聯式U型轉子磁路結構永磁同步電動機(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)的隔磁措施對極間漏磁系數的影響。Kazumi Kurihara設計了切向磁路結構的PMSM，并用時步有限元方法研究了電機的穩態和過渡過程的性能［6］。文獻［7］分別對串聯式結構中的 U型、W型永磁轉子結構的PMSM進行設計，利用場－路結合的方法計算了不同轉子結構電機參數，并對兩種轉子磁路結構的起動性能仿真，分析了不同轉子結構對PMSM性能的影響。文獻［8］計算了U型、W型轉子結構的電抗參數，并給出了電抗參數隨氣隙長度、永磁體磁化長度及隔磁橋尺寸變化的規律。在文獻［9］中，作者提出了一種內置混合式結構的可控磁通PMSM。但是對串聯式結構和串并混合式結構進行對比研究的文獻并不多見。

本文對采用V型、U型及混合型三種轉子磁路結構的6極22 kW LSPMSM進行設計，分析了3臺電機的空載氣隙磁場，并利用時步有限元程序對三種結構電機的起動過程分別進行仿真，對比分析了不同轉子磁路結構對LSPMSM性能的影響。

1 轉子磁路設計

本文研究的三種不同磁路結構的PMSM除轉子磁路結構不同外，其他結構及尺寸都相同。定子部分采用異步電機Y200L2-6定子尺寸參數，設計的永磁電機具體參數如表1所示。三種磁路結構的PMSM轉子永磁體分別采用V型、U型及混合型布置，其截面示意圖如圖1所示。

為了使三種結構永磁電機的空載氣隙基波磁密相等，在保證轉子槽和永磁體間的隔磁磁橋長度及寬度相同的情況下，可以調整V、U及混合型永磁體的尺寸。因此，不同轉子結構的永磁體的磁化方向長度和寬度均不完全一樣，從而使得PMSM的參數和性能也隨之改變。

表1 LSPMSM的主要參數

圖1 不同轉子磁路結構LSPMSM截面示意圖

2 空載磁場分析

ANSYS是當前使用廣泛、功能強大的有限元軟件之一。本文利用ANSYS軟件，分別建立了V型、U型及混合型轉子結構的LSPMSM的二維有限元模型，對空載氣隙磁場進行計算，并對磁密波形進行了諧波分析，得到氣隙磁密的計算結果如表2所示，氣隙磁密基波及各次諧波幅值如圖2所示。

可以看出，V型結構的氣隙磁密諧波含量最少，而混合型結構的氣隙磁場含有最豐富的諧波，諧波含量高達36.74%，這會導致永磁電機中含有比較大的諧波電勢和諧波電流，并引起電機鐵心損耗的增大及振動噪聲。

表2 不同轉子結構空載磁場計算結果

圖2 不同結構電機空載氣隙磁密基波及諧波的分析對比

三種結構的永磁體用量如表3所示。

表3 不同轉子磁路結構的永磁體用量

在電機空載氣隙基波磁密相等的條件下，混合型結構磁鋼用量最少，V型結構和U型結構的用量分別比其多14.38%和31.99%，這是因為混合型結構的空載漏磁系數最小，U型結構的最大，可從表1看出。由此可知，混合型結構的永磁體利用率最高，U型結構最低。

3 空載電動勢分析

內置式LSPMSM由于交直軸磁路結構的不同，其使交直軸磁阻不相等，表現出明顯的凸極效應。根據雙反應理論寫出的PMSM電壓方程為［1］

對于LSPMSM，通常保持永磁勵磁電動勢E0小于并接近于UN，以獲得接近于1的功率因數，并且E0滿足這一要求還可使PMSM在不同負載下效率都比較高，獲得較寬的經濟運行范圍［1，3］，E0值過高會造成永磁體浪費。

利用時步有限元方法求得的三種不同磁路結構PMSM的空載電動勢波形如圖3所示。

圖3 不同結構電機的空載電動勢波形圖

V型、U型、混合型結構的反電勢基波幅值分別為304.833 V、305.717 V及307.882 V，反電勢總諧波含量分別為9.32%、10.75%及14.85%，各次諧波含量如圖4所示。由以上可知，混合型結構的反電勢基波幅值最接近于額定電壓，有益于電機獲得較寬的運行范圍;V型結構的反電勢波形正弦度最好，可降低由諧波電勢引起諧波電流進而產生的波動力矩。

圖4 不同結構電機空載反電勢諧波對比

4 PMSM起動過程的仿真

為了分析不同轉子磁路結構對起動性能的影響，本文采用了時步有限元法［10-12］對LSPMSM的起動過程進行了仿真。有限元剖分的精度和時間步長的選擇會影響計算結果，根據多次計算所得的經驗，電機的剖分精度在ANSYS中取5，時間步長取0.000 1 s較為合適。三種不同磁路結構電機額定負載的起動轉速曲線如圖5所示。

圖5 不同磁路結構永磁電機額定負載起動的轉速曲線

從圖5可看出，V型結構和U型結構的轉速曲線上升趨勢基本一致，而混合型結構轉速曲線的上升趨勢與兩者有略微差別。混合型結構電機異步起動時在0.58 s處超過同步速，達到最大轉速1 024 r/min，在0.8 s時牽入同步轉速;V型結構也在0.58 s處超過同步速，達到最大轉速1 056 r/min，在0.89 s時牽入同步轉速;U型結構在0.6 s處超過同步速，達到最大轉速1 045 r/min，在0.93 s時牽入同步轉速。三種結構電機的起動電流倍數、起動轉矩倍數如表4所示。

表4 不同磁路結構電機的起動電流倍數和起動轉矩倍數

同時運用時步有限元方法計算了額定負載下電機牽入同步后的力矩波動，如圖6所示，其中V型、U型、混合型的力矩波動分別為額定轉矩的±15.6%、±18.5%及±17.3%。

圖6 不同磁路結構永磁電機的力矩波動

由以上分析可知，混合型結構電機的起動過程最平滑、超調時間最短、牽入能力最好，而且起動電流倍數最小、起動轉矩倍數最大，是三者中起動性能最優秀的，并且磁鋼用量最少，V型結構電機次之。當電機牽入同步速后，V型結構電機的力矩波動最小，有利于電機的穩定運行及降低電機噪聲。

5 結語

本文針對6極22 kW LSPMSM的V型、U型及混合型轉子磁路結構，采用時步有限元方法對電機的空載磁場、空載電動勢及起動性能進行了對比研究，得出結論:不同轉子磁路結構對永磁電機的空載氣隙磁場、空載電動勢、磁鋼用量、起動性能、力矩波動等性能產生影響，針對不同應用場合需要慎重選擇。

(1)若要求電機具有較高的起動性能及牽入能力，可采用混合型轉子結構，該結構還有永磁體利用率高的優點，但以增加損耗、運行噪聲大為代價。

(2)若要求電機穩定運行、噪聲小、損耗小，可采用V型轉子結構，但其永磁體用量多于混合型結構，并且起動性能劣于混合型結構。

永磁電機定子斜槽時會顯著改善電機的力矩波動，因此定子斜槽時不同磁路結構永磁電機的起動及穩態性能對比成為進一步需要研究的內容。

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