不同氣隙長度對電機(jī)啟動性能的影響分析

宋林峰 王愛元 陳 哲 莊石榴

（上海電機(jī)學(xué)院，上海201306）

0 引言

異步啟動永磁同步電機(jī)是具有自啟動能力的永磁同步電機(jī)，其依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩啟動，啟動原理與感應(yīng)電機(jī)基本相同。與普通的電勵磁同步電機(jī)相比，異步啟動永磁同步電機(jī)性能更優(yōu)、結(jié)構(gòu)更加簡單且能量密度顯著提高[1]。永磁同步電機(jī)的理想運行條件是正弦分布的電機(jī)電流與正弦分布的電機(jī)氣隙磁場。雖然永磁同步電機(jī)電流的正弦性能夠保證，但由于永磁同步電機(jī)本身的磁路特點，其氣隙磁場遠(yuǎn)非正弦分布，因而影響了電機(jī)性能。氣隙磁場中的諧波含量會使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動增大，在電機(jī)中產(chǎn)生附加的振動噪聲，影響電機(jī)額定運行及空載運行時的效率[2]。當(dāng)諧波磁場相對于磁極表面運動時，會在極面感應(yīng)出渦流，從而產(chǎn)生表面損耗。當(dāng)諧波磁場相對于齒部運動時，會在齒中感應(yīng)出渦流，從而產(chǎn)生脈振損耗，因此優(yōu)化電機(jī)的氣隙磁密分布非常必要[3]。若能分析得出電機(jī)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對電機(jī)啟動性能及氣隙磁密的影響規(guī)律，則可綜合分析結(jié)果及工程實際得出該結(jié)構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)，從而優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能。在電機(jī)性能分析及參數(shù)選取過程中，需要利用有限元軟件搭建模型進(jìn)行輔助分析。

1 氣隙長度的選擇

根據(jù)電機(jī)參數(shù)，利用AnsoftMaxwell軟件搭載二維模型進(jìn)行仿真分析，其中氣隙長度取為0.6～1.6mm。圖1所示為氣隙長度選擇為0.6mm時的轉(zhuǎn)矩波形。

圖10.6mm時轉(zhuǎn)矩波形

由圖1可以看出，當(dāng)氣隙長度選擇過小時，電機(jī)無法進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，由轉(zhuǎn)速波形圖同樣也可得出該結(jié)論。所以在參考相關(guān)資料及實際生產(chǎn)加工難度的情況下，將氣隙長度的參數(shù)變化范圍調(diào)整為0.8～1.6mm。

本文研究的是籠型異步啟動永磁同步電機(jī)的啟動性能，所以，需要觀察電機(jī)的啟動性能，而啟動性能又需要觀察啟動轉(zhuǎn)矩以及啟動電流。要盡可能使得電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩增大，同時減小啟動電流，并縮短拖入同步的時間。由于每個參數(shù)對應(yīng)的圖形較多，因此需要在對比電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形的基礎(chǔ)上來分析在修改氣隙長度的情況下電機(jī)啟動性能的差異。圖2所示為該電機(jī)修改氣隙長度后的轉(zhuǎn)矩波形對比圖，較為明顯的是0.8mm、1mm、1.2mm及1.3mm的波形。由于其他參數(shù)的波形絕大部分是重復(fù)的，所以在圖2中沒有展現(xiàn)出來。

圖2 4種氣隙長度下的轉(zhuǎn)矩波形對比圖

2 參數(shù)化分析

根據(jù)波形圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣隙長度在1.2mm左右時，轉(zhuǎn)矩波形在接近230ms時就將進(jìn)入同步，相對于其他數(shù)值的波形，能夠較早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。基于對氣隙長度的初步分析，將對氣隙長度進(jìn)行參數(shù)化分析，通過參數(shù)化分析來觀察不同氣隙長度下的平均轉(zhuǎn)矩及電流。

圖3、圖4就是進(jìn)行參數(shù)化分析得到的平均轉(zhuǎn)矩及電流波形。

圖3 不同氣隙長度下平均轉(zhuǎn)矩參數(shù)化分析圖

再由之前的結(jié)論可知，啟動過程中需要盡可能大的啟動轉(zhuǎn)矩、盡可能小的啟動電流。可以將平均轉(zhuǎn)矩與電流的比值作為觀察結(jié)果，在氣隙長度合理的范圍內(nèi)，使轉(zhuǎn)矩/電流的比值越大越好。

圖4 不同氣隙長度下電流參數(shù)化分析圖

3 數(shù)據(jù)對比

通過對數(shù)據(jù)的處理，得到圖5所示結(jié)果。由此我們可以判斷，氣隙長度在1.4mm時，轉(zhuǎn)矩/電流比達(dá)到最大，暫定取氣隙長度為1.4mm。

圖5 轉(zhuǎn)矩/電流比折線圖

4 結(jié)語

在對異步啟動永磁同步電機(jī)的啟動性能分析中，考慮到了氣隙對啟動性能的影響，通過數(shù)據(jù)的仿真并綜合實際生產(chǎn)的考慮，將氣隙值確定在一定范圍內(nèi)，最終通過數(shù)據(jù)化分析，選出了一個最優(yōu)值。雖然只是確定了一個氣隙長度，但這種研究方法可以為接下來的其他因素對該電機(jī)啟動性能影響的研究提供幫助。