W型轉子異步起動永磁同步電動機極對數的優化

申 鋒， 趙朝會， 俞志君， 夏 莉， 田井呈

(1. 上海電機學院 電氣學院， 上海 201306； 2. 江蘇遠東電機制造有限公司， 江蘇 泰州 225500； 3. 上海磁雷革傳動系統有限公司，上海 201801)

W型轉子異步起動永磁同步電動機極對數的優化

申 鋒1， 趙朝會1， 俞志君2， 夏 莉1， 田井呈3

(1. 上海電機學院 電氣學院， 上海 201306； 2. 江蘇遠東電機制造有限公司， 江蘇 泰州 225500； 3. 上海磁雷革傳動系統有限公司，上海 201801)

借助Ansoft軟件，以15 kW異步起動永磁同步電動機(LSPMSM)為例，研究了不同極對數下電動機的空載氣隙磁密和起動特性。結果表明，W型轉子結構LSPMSM的極對數取2較為合理。所得結果對不同應用場合的W型轉子結構LSPMSM的設計具有一定參考價值。

異步起動永磁同步電動機； 極對數； 有限元分析； 氣隙磁密

異步起動永磁同步電動機(Line-Start Permanent Magnet Synchronous 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動機的一個重要發展方向，得到越來越多的重視和研究[1]。LSPMSM最基本的轉子磁路有徑向式、切向式、混合式3種[2]；W型轉子結構屬于混合式結構中的一種。W型永磁體用于永磁同步電動機(PMSM)有很多優點：可以安放較多的永磁體、每極磁通大、空載漏磁系數較小，但其極對數應存在一個較為合理的值，目前還沒有關于W型轉子LSPMSM極對數優化的文獻。

文獻[3]中提出一種內置混合式轉子可控磁通PMSM。文獻[4]中在三維電磁場數值計算的基礎上，對U、W型內置式PMSM的交、直軸電樞反應電抗參數進行計算，總結出兩種轉子結構PMSM電抗參數隨氣隙長度和永磁體磁化方向長度的變化規律。文獻[5]中分別對采用U、W型永磁轉子結構的LSPMSM進行設計，利用場路結合的方法計算了不同轉子結構電動機參數，并對兩種轉子磁路結構的起動性能進行仿真，分析了不同轉子結構對PMSM性能的影響。文獻[6]中計算了U、W型轉子結構PMSM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。文獻[7]中優化設計了5種不同轉子拓撲結構的PMSM，對它們的參數、電動機特性以及弱磁性能進行分析比較，提出W型永磁轉子電動機有較好的弱磁擴速能力和較寬的的恒功率運行范圍，其效率也滿足要求，但結構上會比V字型多開槽靴，其機械結構復雜。文獻[8]中設計了一種轉子結構為W的新型內置式PMSM，進行了繞組優化與性能分析，并利用有限元法將所設計的電動機初始模型與優化模型，以及轉子結構為一字型的傳統內置式PMSM模型進行了對比分析。文獻[9]中整理分析了不同磁路拓撲結構對電動機性能的影響及其優缺點。文獻[10]中對采用V、U型及混合型磁路結構的6極22 kW自起動PMSM進行設計，用靜態有限元法分別分析了電動機的空載氣隙磁場，并采用時步有限元方法對3種磁路結構電動機的起動過程進行仿真，對比分析了不同轉子結構對自起動PMSM性能的影響。文獻[11]中采用時步有限法分析了W型LSPMSM的起動過程，發現永磁體最嚴重的退磁磁場出現在電動機轉速接近同步速時。文獻[12]中在幾種永磁同步發電動機轉子結構中，估算出內置式W型磁鋼提供的磁通面積最大。文獻[13]中提到U、V、W型轉子結構不適合于極數多的場合，但沒有定量分析極對數對電動機性能的影響。本文以一臺15 kW LSPMSM為例，利用Ansoft軟件對采用W型轉子結構的2、3、4、5、6、7對極LSPMSM進行設計，分析比較了電動機不同極對數下的空載氣隙磁場、工作效率和起動特性，確定了W型轉子結構極對數的合理取值。

1 磁場分布的有限元分析

1.1電動機的結構參數

電動機的主要結構參數如表1所示。

表1 電動機的主要結構參數

注：極對數變化時,定子結構參數會相應變化

1.2電動機求解模型

W型LSPMSM是對稱結構，在電動機的橫剖面上幾何和物理因素都隨極對數p一起變化，故計算可以在一對極的空間范圍內進行。另外，電動機的磁場分布實際上是一個非線性的三維問題，考慮到能量傳遞的物理過程主要發生在氣隙中,而與電動機軸向尺寸相比較,氣隙相對狹小,故不計電動機端部效應,電動機磁場的近似計算可以簡化成二維問題[14]。電動機的磁場求解模型如圖1所示。

圖1 磁場求解模型

1.3電動機磁場分布

從工程角度看，電動機定子外沿可以認為是磁場的邊界線，不同p下電動機橫截面上的磁力線、磁密云圖分布如圖2所示。

(a) 磁力線分布(p=2)

(b) 磁力線分布(p=4)

(c) 磁密云圖(p=2)

(d) 磁密云圖(p=4)

由圖可見，不同p下電動機磁力線均可形成閉合磁路；當p較小時，磁密云圖亮的部分較多，磁密較大；當p較大時，磁密云圖暗的部分變多，磁密減小。

2 仿真結果及分析

本文利用ANSYS軟件，分別建立了2、3、4、5、6、7對極電動機的有限元模型，分析了電動機p與空載氣隙磁密、額定運行時的效率、永磁體用量以及起動特性間的關系。

(1) 空載氣隙磁密與p的關系。取一對極，對空載氣隙磁場進行計算，電動機在不同p下的空載氣隙磁密波形如圖3所示。

(a) p=2

(b) p=3

(c) p=4

(d) p=5

由圖可知，當p=2，3時，氣隙磁密波形的正弦度較好；當p≥4后，磁密波形越來越不規則，且幅值不斷減小。

進一步對氣隙磁密進行傅里葉分解(FFT),得到的空載氣隙磁密的計算結果如表2所示。

表2 不同p下的空載氣隙磁密計算結果

氣隙磁密是電動機的重要參數，不僅直接影響電動機的輸出轉矩，而且影響電動機的振動與噪聲[15]。由表2可知，當p=2，3時，電動機的空載氣隙磁密最大，而當p繼續增加時，氣隙磁密逐步降低。p與氣隙磁密的關系如圖4所示。

圖4 空載氣隙磁密與p的關系

由圖可見，當p由2對極增加至3對極時，空載氣隙磁密有小幅度增加，但p由3對極起，空載氣隙磁密迅速減小。

(2) 額定運行時的效率與p的關系。額定運行時電動機效率與p的關系如表3所示。

表3 不同p下的電動機效率

由表可知，隨著p的增加，額定運行時電動機的效率略有降低。

(3) 永磁體用量與p的關系。不同p下永磁體的用量如表4所示。由表可知，3對極永磁體用量比2對極稍多；雖然從3對極開始，永磁體用量小幅度減少，但由表2可知，空載氣隙磁密也明顯下降。因此，可初步確定p為2或3較為合理，以下討論在p=2，3時進行。

表4 不同極對數下的永磁體用量

(4) 起動特性與極對數的關系。圖5所示為p=2，3時的電動機起動特性。

(a) p=2

(b) p=3

由圖可見，當p=2時，電動機的起動轉矩明顯大于p=3時的起動轉矩，即當p=2時，電動機的起動能力更強，因此，可進一步確定電動機p取2時更為合理。

3 結 論

本文針對LSPMSM不同極對數下W型轉子磁路結構，采用有限元法對電動機的空載磁場和起動特性進行了對比研究，得出以下結論：

(1) 當p=3時，電動機的空載氣隙磁密比p=2時稍大，從3對極開始氣隙磁密逐步降低；

(2) 3對極永磁體用量比2對極稍多，雖然從3對極開始永磁體用量小幅度減少，但氣隙磁密下降明顯；

(3) 隨著p的增加，額定運行時電動機效率略有降低；

(4) 當p=2時，電動機的起動轉矩明顯大于p=3時的起動轉矩；

(5) 綜合分析,W型轉子結構的LSPMSM極對數取2時較為合理。

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Optimization of Pole Pairs of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor with W-Shaped Rotor

SHENFeng1,ZHAOChaohui1,YUZhijun2,XIALi1,TIANJingcheng3

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Jiangsu Yuandong Motor Manufacuring Co., Ltd., Taizhou 225500, Jiansu, China;3. Magelec Propulsion Co., Ltd., Shanghai 201801, China)

With a 15kW line-start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM) as an example, this paper studies no-load air gap flux density and starting characteristics at different pole pair using Ansoft. It is concluded that using two pairs of poles is reasonable. The conclusion is useful for the design of line-start PMSM in different practical situations.

line-start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM); pole pair; finite element analysis; air gap magnetic flux density

2017 -03 -16

上海電機學院學科建設項目資助(16YSXK02)

申 鋒(1991-)，男，碩士生，主要研究方向為電機本體設計，E-mail: 1508469181@qq.com

指導作者： 趙朝會(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail:zhaoch@sdju.edu.cn

2095-0020(2017)05 -0264-05

TM 351

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