大功率永磁同步電動機研究

劉 翌 ，魏 塬 ，廖 萍 ，徐武彬

（1.廣西佳力電工集團有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西工學院 a.機械工程系;b.學報編輯部，廣西 柳州 545006）

引言。隨著電力電子技術的發展和工藝技術的進步，對發電機的運行性能提出了新的更高的要求。傳統的中小電動機多為異步電動機，其所消耗的電能占全國發電量50~60%，效率很低。由于異步電動機起動轉矩過載能力有限，為了滿足實際設備起動轉矩及過載能力，通常選用功率遠大于設備功率的電機，此時的效率一般僅在60%~40%之間。

隨著極數的增加，異步電動機在一定程度上可以減少定子鐵芯軛部的高度并著縮短定子繞組端部長度，減少定子銅耗，但是其功率因數明顯降低，在輕載和空載時更低。船舶、車輛受體積限制，要求電動機高功率密度、高轉矩密度，異步電機亦遠不能滿足[1-2]。本文介紹了一種新型無需勵磁電流、無刷恒壓輸出的大功率永磁同步電動機（Large Permanent Magnet Motor,LPMR），能在較大的負載變動范圍內始終保持高的效率和功率因數，尤其在輕負載運行時節能效果顯著，起動性能好，可滿足大的起動轉矩、最大轉矩倍數和低速直接驅動的需求。

同時沒有激磁繞組，加上高性能釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應強度和高矯頑力，電極尺寸明顯縮小。與異步電動機相比永磁同步電動機更易于實現磁場定向矢量控制，調速及伺服特性很好，并能夠滿足機械加工的高速、超高速，精密和超精密、快速反應能力等要求，可廣泛應用于艦船推進、機車牽引、重工業拖動、石油鉆探、礦山開采、造紙等動力行業。

1 發電機結構

圖1 大功率永磁同步電動機結構示意圖

三相無刷永磁同步電動機由具有阻尼繞組與隱極轉子的轉場式主發電機、轉樞式勵磁機和勵磁裝置組成，電樞繞組為中性點有引出線或無引出線的星形接法，如圖1所示。根據整體的機械要求可以安排不同的轉子結構來滿足最完善的工程安裝，本文選擇裝有嵌入磁轉子的永磁同步電動機[3]。發電機繞組采用特殊的樹脂和真空浸漬絕緣處理工藝，具有高機械強度、高抗震性和極好的絕緣強度；發電機絕緣等級為F級。所采用的絕緣材料具有不吸潮、介電強度高等特性，能承受劇烈的溫度變化。具備緊湊的，組合的冷卻系統設計，轉子內置位置反饋傳感編碼器。機座采用鋼板結構，外形美觀大方，設計調整靈活。發電機防護等級為IP54，可滿足用戶在各種環境下的使用要求，同時在發電機定子繞組中安裝溫度傳感器，可更好地保護發電機。在潮濕環境下，發電機加裝防冷凝加熱器，可以保證發電機絕緣不受破壞。軸承結構為雙軸承，也可提供單軸承結構。軸承為滾動軸承，具有振動小、噪音低等特點

圖2 不同的感應電動機

發電機勵磁采用德國西門子1FC6系列發電機相復勵分流勵磁原理[4]，配備THYRIPART勵磁系統，由于具有可控硅電壓調節器、負載決定勵磁的相復勵磁系統[5]，動態特性優越，如圖2所示。相復勵分流勵磁調壓方式保證發電機的電壓調節精度，而且即使發電機在自動電壓調節器（AVR）出現故障時，發電機電壓維持在1.15倍額定電壓，發電機仍能進行工作，同時保證用電設備的安全。發電機定子繞組裝有鉑熱電阻傳感器（pt100），與KLB智能型溫度控制儀同時使用可直接顯示發電機定子繞組的實際工作溫度，提供報警型號，保護發電機[6]。

發電機勵磁裝置由1個三相整流變壓器帶3個單相電流互感器組成。由T1、T2、T3產生負載勵磁電流分量，在T6次級同空載勵磁電流分量進行矢量迭加。由L1C同T6初級繞組共同產生空載分量并在T6次級繞組感應出空載勵磁電流分量。勵磁系統將主機輸出的部分三相交流電整流為直流電,再通到勵磁機定子線圈中進行勵磁機勵磁。電動機的體積、材料成本、空間和重量與電機正常的軸速是成反比的。將變速箱被安裝到電動機中或電動機被安裝到變速箱中，可以減小在理想系統軸速下的系統的體積，由此控制轉力矩和轉速，變速箱速率和電機軸速的搭配使功率-轉力矩與空間-成本的關系更合理。

3 特性分析

3.1 能量損耗。電動機內部因為在轉子機構或機械機構中有永磁而達到它們的磁場，并設定了新的轉力矩使用和轉子結構的磁阻轉矩。永磁體封閉在內部的轉子結構、高質量繞組、先進絕緣工藝以及電機內部沒有線接頭使得電機的具有較高的可靠性及逆變器的兼容性。轉子薄板是無孔的,形成了磁性的屏障以增加單向磁通量流通途徑，如圖3所示。

圖3 無框架的電動機

在轉子中嵌入永磁使其免受機械應力,磁致應力和化學應力。每個永磁部分都是電防腐的,每個磁極都是涂有保護層的，特殊而簡潔的轉子設計使電動機更堅穩和高效。由于在轉子繞組中沒有電流，且銅的熱損耗很低，在合理的電機設計范圍內，更多的電功率被用于產生轉矩。由于電動機內部不會發熱，同時聚集在電動機外表面的熱能損耗使電動機很容易冷卻下來。繞組端部能夠附加強迫通風冷卻，而永磁電機僅對定子進行水冷。

3.2 加速和制動

圖4 電動機加速與制動

為了分析電動機加速與制動時對轉矩，電流，輸出電壓，轉速等性能的影響[7]，本文采用時步有限元法對無制動回路情況進行了分析[8-9]。從如圖5相應曲線可看出，在加速后的95.4～95.8s處，對電動機的影響較為明顯。發電機裝有壓降補償裝置，可方便與具有相同壓降的其它發電機或電源系統并聯運行。特定的設計使LPMR電動機非常高效而且容易冷卻，獲得可以在低運行溫度時的高力矩效果并且結構緊湊。有效的冷卻系統和較低損耗減小了LPMR電動機的外形尺寸。

3.3 過流能力

圖5 電動機過流

節能和免維護的LPMR加入同步磁阻轉矩和永磁轉矩，提供了高功率密度（kW/cm3）并擴大了恒定功率速度范圍。高的過電流能力和低轉動慣量，使電機具有很高的動態性能[10]，如圖5所示。LPMR電動機能夠通過一個三相或者三個三相逆變器供電，兼顧了低功率驅動和高功率驅動的能力，同時具有非常高的效率和低脈動轉矩，僅有定子損耗，使冷卻系統最小化。堅固的轉子保證電機可靠的高速運行，每一塊永磁體有機械和化學防護，延伸了電機恒功率調速范圍。

結論。介紹一種新型LPMR大功率永磁同步電動機，采用嵌入式帶磁阻支持的徑向高性能磁鋼結構，根據相復勵分流勵磁原理，配以THYRIPART勵磁系統，磁阻轉矩特性好，能在較大的負載變動范圍內始終保持高的效率和功率因數。并裝有壓降補償裝置與鉑熱電阻傳感器，能很好的保護用電設備，同時運行平穩，重量輕，體積小，現場使用方便，可廣泛應用于工程實際中。

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