30 kW異步起動永磁同步電機的優化設計

王 亮，王 晨，黃金霖

(安徽機電職業技術學院電氣工程系，安徽 蕪湖 241000)

引言

隨著科技的日益發展，人類對能源的要求越來越高，能源的利用率，特別是電能的利用率成為人們日益關注的話題。在工、企業中，效率與功率因數偏低的傳統異步電機逐漸被高性能的永磁電機所代替。

異步起動永磁同步電機較傳統異步電機具有結構簡單、效率高等優點;較永磁同步電機其起動轉矩大、起動性能優越。因此，在起動性能要求較嚴的場合得到廣泛應用，如抽油機、紡織機以及電梯等場合［1-2］。

雖然異步起動永磁同步電機在諸多場合的應用有著得天獨厚的優勢，但其永磁體置于轉子內部，漏磁現象比較嚴重，而隔磁橋的放置又影響電機的機械強度，因此，其轉子永磁體和隔磁橋的尺寸對電機的性能與電磁特性產生較大的影響［3-4］。文獻［5］通過場路結合的方法，對異步起動永磁同步電機的起動性能做了深入分析，并通過實驗證明該計算方法的準確性;文獻［6］在考慮磁路飽和的前提下，分別建立抽油機專用異步起動永磁同步電機和異步電機的有限元分析模型，分析了異步起動永磁同步電機的優越性，并通過實驗，驗證了方法的準確性;文獻［7］設計了一款實心式永磁同步電機，研究永磁體尺寸對電機起動能力的影響，并試制樣機，樣機測試結果與分析結果相吻合;文獻［8］利用正交試驗的方法研究復合材料導條尺寸對電機運行性能的影響，優化后的電機取得了較好的起動性能。但上述文獻只針對電機的電磁性能和永磁體尺寸的優化進行分析研究，對隔磁橋的優化并不多見。

本文設計了一臺72槽8極30 kW抽油機用異步起動永磁同步電機，在綜合考慮起動性能和電磁性能的基礎上，利用參數化分析的方法，優化電機的永磁體和隔磁橋尺寸，為異步起動永磁同步電機的優化分析和應用奠定了基礎。

1 異步起動永磁同步電機的優化模型

以效率和生產成本為目標函數，綜合考慮電機的起動性能和電磁特性，對初步設計的異步起動永磁同步電機進行優化分析，使得電機的效率達到最佳［3］。其數學模型為:尋求滿足約束條件Gj(x)≥0的自變量x，使得F(x)的值達到最大，即:

式中:F(x)是效率目標;Gj(x)為約束條件，滿足電機的電磁特性;x為電機的尺寸變量。

2 電機轉子結構優化分析

2.1 隔磁橋尺寸的優化

為了提高電機的過載能力和起動性能，異步起動永磁同步電機的永磁體均置于轉子內部，可通過內置轉子磁路的不對稱產生磁阻轉矩，使得電機的起動轉矩增大，起動時間得到有效地縮短［9］。

但此類結構會導致永磁體的漏磁現象比較嚴重，因此，需要使用合適的隔磁裝置，如圖1所示。

圖1 隔磁橋示意圖

隔磁橋的尺寸不僅對電機的機械強度產生較大影響，對異步起動永磁同步電機的效率和電磁性能也存在一定的影響。利用有限元分析軟件，得出隔磁橋的寬度ω對電機的效率的影響，如圖2所示。

圖2 電機效率隨隔磁橋尺寸的變化

由圖2可知，隨著隔磁橋長度的升高，電機效率呈先升高后下降的趨勢，當隔磁橋寬度為4 mm時，電機的效率最高;但過小的隔磁橋寬度會導致電機的漏磁增多，而過大的隔磁橋尺寸會影響電機的機械強度。綜合考慮，選取隔磁橋的長度為5 mm最合適，電機運行性能最優。

2.2 氣隙長度的優化

氣隙是電機實現電磁能量轉換的場所所在，氣隙的長度嚴重影響電機的效率和電磁特性。過大或過小的氣隙均會使電機導致一系列問題［5］。過小會導致機械性能不穩定，空載反電勢諧波含量增大，產生較大的溫升和噪音;過大會使得電機的輸出轉矩出力不夠，效率降低［10-11］。因此，在保證電機效率與性能不變的情況下，需要選取合適的氣隙長度。圖3是在不同氣隙長度下電機的效率曲線。

圖3 效率隨氣隙長度的變化

由圖3可知，氣隙長度在0.3 mm與2.2 mm之間變化時，電機的效率呈先上升后下降的趨勢。當氣隙長度為1.3 mm時，電機的效率最優。

2.3 永磁體尺寸的優化

異步起動永磁同步電機的永磁體內置于轉子內部，其尺寸大小不僅對電機的效率和交直軸電感有影響，而且對異步起動永磁同步電機的起動性能(起動轉矩和牽入同步的時間等)有很大的影響。

過高的起動轉矩與起動電流比不僅造成大量永磁材料的浪費，使電機的制造成本增加，且不能明顯的改善電機的起動性能。

永磁體的寬度隨電機效率的變化曲線如圖4所示，永磁體寬度隨電機起動轉矩的變化曲線如圖5所示。

圖4 電機效率隨永磁體寬度的變化

由圖4與圖5可知，隨著永磁體寬度的增加，電機的效率與起動轉矩呈先線性增加，后飽和的趨勢變化。過大的永磁體不僅不能提高電機的起動性能與效率，還會使得電機的成本增加，綜合考慮上述兩個因素，電機的永磁體尺寸選取為14 mm。

圖5 起動轉矩隨永磁體尺寸變化

3 電磁特性分析

3.1 氣隙磁密

建立優化后的有限元分析模型，利用有限元分析軟件ANSOFT分析優化后的電機電磁特性。電機的空載反電勢曲線和諧波分析如圖6所示。

圖6 空載反電勢仿真圖

由圖6(b)可知，電機的3次與5次諧波含量較高，這是由于電機的定子繞組采取了合適分布繞組，減小了7次諧波含量。

3.2 起動性能分析

異步起動永磁同步電機起動過程中具有異步電機的特點，而起動完成后，跟永磁同步電機的特性相似。

由于轉子永磁體的存在，使得該類電機具有特有的起動特性，其起動過程較為復雜，對電機的起動過程進行有限元分析時，要綜合考慮以下幾點要素［6-7］:

(1)選擇合適的步長和時間，時間過短未拖入同步轉速，時間過長影響仿真時間，且網格剖分對起動過程影響較大。

(2)由于起動過程產生過大的起動電流，且起動過程存在多個轉矩相互作用，因此，采用場路結合的方法分析。

(3)轉子的初始位置對起動過程影響較大。

建立有限元分析模型，選取合適的激勵方式和初始位置，建立有效的等效電路，對電機的起動過程進行有限元仿真分析，得出電機的磁力線分布圖與轉速轉矩曲線圖分別如圖7與圖8所示。

圖7 電機的磁力線分布圖

圖8 轉速轉矩曲線

由圖7可知，起動過程中，轉子磁力線分布不均勻，這是由于轉子的集膚效應，使得磁力線均集中在轉子表面，呈不均勻分布;達到穩態后，磁力線分布均勻，集膚效應消失。

由圖8可知，異步起動永磁同步電機的起動過程與感應電機的起動過程基本相似，與之不同的是異步起動永磁同步電機在0.2 s左右是由永磁體產生的轉矩使其牽入同步轉速。電機牽入同步轉速以后，雖然異步轉矩一直減小直至為零，但永磁體旋轉磁場與定子旋轉磁場產生的轉矩，使得電機的轉速會超過同步轉速;永磁體產生的磁場對電機的起動過程有很大的影響，因此LSPMSM電機在起動過程中有很強的振蕩作用，但隨著異步轉矩的作用電機最終會穩定在同步轉速上運行。

4 結論

在研究異步起動永磁同步電機原理的基礎上，設計出一種72槽8極異步起動永磁同步電機，綜合考慮起動性能和電磁性能的條件下，對電機進行優化分析，得出如下結論:

(1)永磁體隔磁橋尺寸、氣隙長度等對電機的起動性能和效率產生一定的影響。

(2)該類電機起動過程出力大，適合于大轉矩起動的場合，利用ANSOFT軟件可有效縮短該類電機的開發周期。

(3)該類電機在起動過程中，由于定子電流與永磁體的雙重作用，起動過程較復雜。

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