轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)性能的影響

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(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110870)

0 引言

低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)具有高效率、高功率因數(shù)、低維護(hù)量等優(yōu)點(diǎn)。在礦山、石油、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)需求量日益增大。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)加工與裝配工藝等原因。永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子中心線不能完全重合，不同程度的存在轉(zhuǎn)子偏心問題。

通常情況下，電機(jī)偏心分為三類：靜態(tài)偏心、動(dòng)態(tài)偏心和混合偏心。靜態(tài)偏心是由定子鐵心橢圓、定子或轉(zhuǎn)子不正確的安裝位置等因素引起的。靜態(tài)偏心的特點(diǎn)是,電機(jī)最大氣隙和最小氣隙位置不隨時(shí)間改變。動(dòng)態(tài)偏心的原因是轉(zhuǎn)軸彎曲、軸承磨損、極限轉(zhuǎn)速下的機(jī)械共振等因素。動(dòng)態(tài)偏心的特點(diǎn)是最小氣隙位置隨轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。混合偏心為電機(jī)同時(shí)存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)偏心情況。

本文著重研究轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心后對(duì)電機(jī)氣隙磁密、反電勢(shì)、鐵耗的影響，為轉(zhuǎn)子偏心的研究提供了一定的參考價(jià)值。

1 氣隙磁密

轉(zhuǎn)子偏心后，電機(jī)氣隙不再對(duì)稱，如圖1所示。電機(jī)偏心后，轉(zhuǎn)子中心偏移，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子偏向側(cè)和轉(zhuǎn)子偏離側(cè)。電機(jī)氣隙長(zhǎng)度由原來的均勻分布，變成了不均勻分布。

圖1 轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心示意圖

為了后文的分析方便，這里定義偏心率的定義。偏心率e為

(1)

式中，OO′—電機(jī)偏心距離；L—未偏心時(shí)的氣隙長(zhǎng)度。

電機(jī)靜態(tài)偏心后，電機(jī)在不同偏心率下的氣隙磁密如圖2所示。

圖2 不同偏心率下的氣隙磁密分布

為了更好的對(duì)比分析不同偏心率下的氣隙磁密，依次對(duì)不同偏心率下的磁密波形進(jìn)行傅里葉分解，得到如圖3所示的各次諧波分布情況。偏心后的奇數(shù)次諧波分布相比于未偏心時(shí)的分布，基本變化不大。主要是偶數(shù)次諧波出現(xiàn)增多趨勢(shì)。其中，以二次諧波的變化最為明顯。圖4為二次諧波在不同偏心率下的百分比含量。隨著偏心率的加大，二次諧波明顯增多。

圖3 不同偏心率下的各次諧波

圖4 不同偏心率下的諧波

永磁電機(jī)在未偏心時(shí)，氣隙磁密在空間上相互對(duì)稱，主要存在奇數(shù)次諧波。偏心后，偶數(shù)次諧波的增加，將會(huì)使電機(jī)磁密波形變得更差。表1為不同偏心率下的諧波畸變率，從表中得知。隨著偏心率的增加，電機(jī)的諧波畸變率不斷增大。偏心率在75%時(shí)，相比于未偏心時(shí)的氣隙磁密諧波畸變率增加了3.29%。

表1 不同偏心率下的氣隙磁密諧波畸變率

2 空載反電勢(shì)

轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心后，氣隙磁密的改變會(huì)對(duì)電機(jī)空載反電勢(shì)有直接影響。空載反電勢(shì)直接影響著電機(jī)空載電流、功率因數(shù)、空載損耗等電機(jī)重要參數(shù)。為此分析轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心對(duì)電機(jī)反電勢(shì)的影響有很大意義。圖5為不同偏心率下的反電勢(shì)波形，依次對(duì)不同偏心率下的反電勢(shì)波形進(jìn)行傅里葉分解得到表2。由表2可知，隨著偏心率的增大，偏心率為75%時(shí)，反電勢(shì)僅下降了0.28%，基本認(rèn)為不變。反電勢(shì)不受轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心影響。

圖5 不同偏心率下的反電勢(shì)波形

表2 不同偏心率下的反電勢(shì)諧波畸變率

3 電機(jī)損耗

通過以上分析可得知，轉(zhuǎn)子偏心后，電機(jī)氣隙磁密受到改變。而電機(jī)鐵耗直接與電機(jī)氣隙磁密相關(guān)。圖6為不同偏心距離下的鐵耗仿真對(duì)比，從圖中可以看出，隨著偏心距離的增加，電機(jī)鐵耗變化不大。 圖7為不同偏心距離下的鐵耗值，偏心距離在1.2mm時(shí)，電機(jī)鐵耗相比于未偏心時(shí)，僅增加了0.9%。電機(jī)轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心對(duì)電機(jī)鐵耗影響不大。

圖6 不同偏心距離下的鐵耗仿真對(duì)比

圖7 不同偏心距離下的鐵耗值

圖8為電機(jī)在不同偏心距離下的渦流損耗值，電機(jī)轉(zhuǎn)子在偏心0.5mm時(shí)，相比于轉(zhuǎn)子未偏心時(shí)，電機(jī)渦流損耗增加了8.3%，電機(jī)渦流損耗受轉(zhuǎn)子偏心更為明顯。

由于電機(jī)靜態(tài)偏心后，電機(jī)的最小和最大氣隙位置不隨時(shí)間改變。在轉(zhuǎn)子的任一點(diǎn)位表面處，都要經(jīng)歷氣隙長(zhǎng)度大小的變化。電機(jī)主磁通的不斷改變作用在轉(zhuǎn)子表面上，造成渦流損耗的增加。偏心距離的加大，將會(huì)加劇主磁通變化，進(jìn)而造成渦流損耗的進(jìn)一步增大。

圖8 不同偏心距離下的渦流損耗

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心時(shí)，電機(jī)氣隙磁密的變化趨勢(shì)。以及磁密變化后對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：(1)轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心后，電機(jī)氣隙磁密中偶數(shù)次諧波增多，奇數(shù)次基本不變。電機(jī)氣隙磁密的波形畸變率增大；(2)轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)反電勢(shì)沒有影響；(3)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)電機(jī)鐵耗影響不大，對(duì)渦流損耗影響較大。

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