異步起動永磁同步電動機的設(shè)計及分析

王臻卓，　朱成俊，　李長樂，　任寧寧

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；

2. 上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上海　200063；

3. 臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽　473000)

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異步起動永磁同步電動機的設(shè)計及分析

王臻卓1，朱成俊1，李長樂2，任寧寧3

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；

2. 上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上海200063；

3. 臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽473000)

摘要：通過采用不均勻氣隙的方式設(shè)計了一臺22kW-6P異步起動永磁同步電動機，采用串聯(lián)式V型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化，有效地降低了電機氣隙中磁密諧波的含量，氣隙磁密更正弦化，使電機的磁路更加合理，有效地抑制了電機的轉(zhuǎn)矩波動。有限元分析及試驗結(jié)果表明，所完成的設(shè)計方案較合理，各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：異步起動永磁同步電動機； 磁密諧波； 轉(zhuǎn)矩波動

0引言

電機作為驅(qū)動源廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備，是能量轉(zhuǎn)換的最主要部件，也是能量消耗的主要設(shè)備。因此，大力開發(fā)高效、功率因數(shù)高、經(jīng)濟運行范圍寬的電動機，是電機領(lǐng)域研究人員的工作重點[1-2]。

永磁同步電動機由于效率高、功率因數(shù)高、起動轉(zhuǎn)矩高、經(jīng)濟運行范圍寬等優(yōu)良特性，正日益受到人們的關(guān)注。由于單純的永磁同步電動機不具備自起動能力，需要一套控制系統(tǒng)來實現(xiàn)電動機的各項功能，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。異步起動永磁同步電動機由于具有自起動的能力，同時具有永磁同步電動機的各項優(yōu)良特性，通過采用簡單的U/f方式就能實現(xiàn)電機的調(diào)速，因此該種電機的應(yīng)用場合越來越廣泛。同時，國內(nèi)外研究工作者對該種電機進行了大量的科學(xué)研究，為該種電機的設(shè)計及發(fā)展提供了較扎實的理論基礎(chǔ)。

與感應(yīng)式異步電動機相比，對異步起動永磁同步電動機進行合理的設(shè)計： 電機可工作在滯后功率因數(shù)、單位功率因數(shù)及超前功率因數(shù)；轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，能夠提高氣隙磁密，減小電機體積，提高電機的功率密度；電機穩(wěn)態(tài)運行時無轉(zhuǎn)子繞組損耗，較高的功率因數(shù)使定子電流減小，降低了電機定子繞組銅耗，因此較同規(guī)格的感應(yīng)電動機的效率高；三相異步電動機的經(jīng)濟運行范圍較小，一般為60%～100%的額定負載，而異步起動永磁同步電動機在25%～120%的額定負載范圍內(nèi)都具有較高的效率；異步起動永磁同步電動機在負載為額定負載的25%時仍然能夠達到0.9以上的功率因數(shù)，但異步電動機在低于85%額定負載時，功率因數(shù)下降較大[3-4]。

由于異步起動永磁同步電動機的優(yōu)點，所以適用于負載率低、負載運行范圍較寬的場合。

目前，油田游梁式抽油機是一種典型的脈動負載，為了滿足抽油機高起動轉(zhuǎn)矩的需要，油井一般選用高于額定負載的大功率異步電動機。因此，抽油機正常工作時，電動機處于輕載運行狀態(tài)，從而導(dǎo)致電機的效率及功率因數(shù)低，造成很大的電能浪費。

基于抽油機的特殊運行工況，本文根據(jù)設(shè)計要求，完成了一臺額定功率為22kW-6P的異步起動永磁同步電動機的方案設(shè)計，實現(xiàn)對抽油機所用的異步電動機進行替換，不僅滿足高起動轉(zhuǎn)矩的要求，同時達到節(jié)能的目的。本文通過不均勻氣隙方式，采用串聯(lián)式V型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。對電機的磁路進行了優(yōu)化設(shè)計及分析，提高了電機的各項性能指標(biāo)。采用有限元分析方法對電機的空載及負載特性進行了詳細分析，有限元仿真分析及試驗結(jié)果均表明本文所完成的設(shè)計方案較合理，滿足各項設(shè)計指標(biāo)要求。

1電磁方案設(shè)計

異步起動永磁同步電動機和感應(yīng)電動機一樣由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組一般與感應(yīng)電動機相同，轉(zhuǎn)子由永磁體、鼠籠繞組、鐵心及轉(zhuǎn)軸等組成。通過鼠籠繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了電機的起動。由于永磁體的存在，磁路較感應(yīng)電機復(fù)雜，與感應(yīng)電機的氣隙磁密波形相差較大，因此轉(zhuǎn)子磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計是異步起動永磁同步電機的關(guān)鍵問題。磁路結(jié)構(gòu)直接決定了電機的性能。

1.1　轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

異步起動永磁同步電動機磁路設(shè)計的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的極靴能夠放置鑄鋁籠或銅條籠，能夠起到阻尼及電機起動的功能，且對電機的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)有較好的作用；同時內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高電機的過載能力及功率密度，且易于“弱磁”擴速。本文采用串聯(lián)式V型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且轉(zhuǎn)子機械強度高[1，5]。

氣隙磁密度波形直接影響電機的性能，均勻氣隙V型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的電機氣隙磁密波形基本上為一平頂波，氣隙磁密諧波含量大，直接影響電機的性能。本文通過采用不均勻氣隙的方式來降低氣隙磁密的諧波含量，使氣隙磁密波形更加正弦化[6]。均勻氣隙和不均勻氣隙V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

采用不均勻氣隙時，為使氣隙磁密按正弦分布，理論上通過式(1)計算電機的氣隙分布：

(1)

式中：δmin——電機的最小氣隙。

采用式(1)所示的氣隙變化規(guī)律在工藝上很難實現(xiàn)。

本文采用式(2)的方式實現(xiàn)不均勻氣隙，通過使轉(zhuǎn)子中心偏離dm，轉(zhuǎn)子偏心距由式(2)～式(4)計算，以O(shè)′為圓心使電機氣隙不均勻。圖中虛弧線為均勻氣隙定子內(nèi)徑。

(2)

(3)

r′=r-dm-δmin

(4)

式中：δmax、δmin、p、αp——最大氣隙、最小氣隙、極對數(shù)、極弧系數(shù)。

1.2　電磁方案參數(shù)

本文所設(shè)計的異步起動永磁同步電動機的額定功率為22kW、6極。采用同規(guī)格異步電動機的定子沖片及結(jié)構(gòu)。電機的電磁方案參數(shù)如表1所示。

表1　電磁方案參數(shù)

2電磁性能分析

2.1　氣隙磁密分析

基于上述方案設(shè)計，建立了均勻氣隙與不均勻氣隙的有限元模型。不均勻氣隙轉(zhuǎn)子偏心距dm為5mm。空載氣隙磁密波形如圖2所示。氣隙磁密諧波分析頻譜圖如圖3所示。

圖2　氣隙磁密波形

圖3　氣隙磁密諧波頻譜圖

由圖2可看出，采用不均勻氣隙后電機空載氣隙磁密波形較均勻，正弦度有很大的改善。由圖3可看出電機氣隙磁密中的各磁諧波幅值得到了有效消弱。通過分析采用不均氣隙后電機的鐵耗由260W減小到210W，由此可知采用不均勻氣隙后電機鐵耗減小了19.2%。

2.2　齒槽轉(zhuǎn)矩分析

由于齒槽的存在，使永磁體與所對著的電樞表面間的氣隙磁導(dǎo)不均勻，由此產(chǎn)生永磁體與電樞齒槽結(jié)構(gòu)之間相互作用力的切向分量引起的磁阻轉(zhuǎn)矩[7]。齒槽轉(zhuǎn)矩會引起電機的轉(zhuǎn)矩波動，從而加劇電機的振動和噪聲。本文在不影響電機嵌線的情況下通過減小定子槽口寬度的方式(定子槽口寬度由3.5mm減小到2.5mm)，轉(zhuǎn)子偏心5mm，通過有限元分析所得的優(yōu)化前及優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。由圖4可看出優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩幅值得到大幅降低。

圖4　齒槽轉(zhuǎn)矩

2.3　空載反電動勢分析

空載反電動勢是永磁電機一個非常重要的參數(shù)[1，8]。其值如式(5)所示：

E0=4.44KdpNΦ10=

(5)

式中：Φ10——基波磁通；

N——每相串聯(lián)匝數(shù)；

Kdp——基波繞組系數(shù)；

bm0——空載磁感應(yīng)強度標(biāo)幺值；

Am——永磁體提供每極磁通的面積；

Br——剩余磁感應(yīng)強度；

δ0——空載漏滋系數(shù)。

電機的交、直軸磁阻不相等，電機的磁路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為凸極電機。根據(jù)雙反應(yīng)理論電機的電壓方程如式(6)所示：

(6)

由此可知，反電動勢E0的大小不僅決定電機運行狀態(tài)，同時對電機的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能均有很大的影響。永磁同步電動機中的反電勢設(shè)計得過大或過小，都會導(dǎo)致空載損耗和空載電流的增大，原因在于E0過大或過小都會導(dǎo)致空載電流中的直軸電流分量急劇增大。為獲得功率因數(shù)為1，同時滿足電機在不同負載下都具有較高的效率，使電機有較寬的經(jīng)濟運行范圍；空載反電動勢電壓一般設(shè)計為小于并接近Un。本文所設(shè)計的電機空載電動勢為375V，優(yōu)化前后電機空載反電動勢波形如圖5所示；空載反電動勢諧波分析頻譜如圖6所示。

圖5　反電動勢波形

圖6　反電動勢諧波頻譜

3有限元仿真分析及試驗驗證

在上述分析的基礎(chǔ)上建立了有限元仿真模型，電機負載轉(zhuǎn)矩-時間曲線及電流曲線分別如圖7 和圖8所示。

圖7　轉(zhuǎn)矩-時間曲線

圖8　不均勻氣隙電流曲線

由圖7可看出，電機滿載起動性能較好，通過采用本文所提出的不均勻氣隙的設(shè)計方案，穩(wěn)定后電機的轉(zhuǎn)矩波動得到了有效抑制；由圖8可看出，電機的電流波形正弦度較好且電流諧波含量較少。

根據(jù)上述設(shè)計方案，樣機的試驗結(jié)果如表2所示。

表2　試驗結(jié)果

由表2可以看出電機的起動轉(zhuǎn)矩較高，滿足起動轉(zhuǎn)矩大于3倍的技術(shù)要求，功率因數(shù)及效率均較同功率異步電動機高。

4結(jié)語

本文通過采用不均勻氣隙的方式，減小了電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，降低了氣隙磁密諧波的含量，使氣隙磁密波形更正弦化，有效地抑制了電機的轉(zhuǎn)矩波動。對電機的負載特性進行了詳細的有限元仿真分析，結(jié)果表明，電機的各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，同時試驗結(jié)果也與分析較吻合。

【參 考 文 獻】

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Design and Analysis of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor

WANGZhenzhuo1，ZHUChengjun1，LIChangle2，RENNingning3

(1. Henan Polytechnic Institute， Nanyang 473000， China；

2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China；

3. Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.， Ltd.， Nanyang 473000， China)

Abstract：A rated power of 22kW-6P Line-Start PMSM was presented，by Non uniform air gap way， using tandem V-type rotor magnetic circuit structure. By optimizing the design. effectively reducing the content of the motor air gap flux density harmonic， flux density more sinusoidal， motor magnetic circuit was more reasonable. torque ripple was effectively suppressed. Finite element analysis and experimental results showed that， the design was reasonable， the performance indicators met the design requirements.

Key words：line-start permanent magnet synchronous motor； harmonic flux density； torque ripple

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號：TM 351

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)02- 0018- 04

作者簡介：王臻卓(1986—)，男，講師，研究方向為電氣工程。