適用于大慣量負(fù)載的異步電動機(jī)設(shè)計

魏靜微，張其江，顧 揚,于 曉

(哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080)

0 引 言

通常在油井抽油、鐵道并軌、升降重物和鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)等大慣量負(fù)載情況下，普通異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩較小，目前解決的方法有增大電動機(jī)容量、使用變頻器起動、改進(jìn)轉(zhuǎn)子槽型等。增大電動機(jī)容量，按照電動機(jī)的最大負(fù)荷來選擇電動機(jī)的功率，雖然能夠滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求，但是電動機(jī)正常運行時負(fù)載率大多低于50%，輕載狀態(tài)下會導(dǎo)致電動機(jī)的功率因數(shù)和效率較低，浪費電能[1]。使用變頻器起動，成本較高，且一些復(fù)雜環(huán)境中不適合使用變頻器起動。

近年來，針對普通異步電動機(jī)帶動大慣量負(fù)載起動表現(xiàn)不佳的問題，國內(nèi)學(xué)者們主要著重于轉(zhuǎn)子槽形的改進(jìn)，文獻(xiàn)[2]以電動機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)為約束條件，進(jìn)行了轉(zhuǎn)子槽形尺寸的設(shè)計。從上世紀(jì)80年代年起，性能高、價格低的永磁材料接連涌現(xiàn)，許多專家對異步起動永磁同步電動機(jī)進(jìn)行了探索，異步起動永磁同步電動機(jī)有了比較大的發(fā)展[3-6]。但是很少有學(xué)者以驅(qū)動圓盤式大慣量負(fù)載為目標(biāo)，從異步電動機(jī)的角度去設(shè)計大起動轉(zhuǎn)矩電動機(jī)，最后加上磁鋼片牽到同步轉(zhuǎn)速的案例。本文設(shè)計的電動機(jī)具有起動轉(zhuǎn)矩大、制造成本低等優(yōu)點,但其效率和功率因數(shù)略低。文獻(xiàn)[7]對異步電動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計成異步起動永磁同步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置切向式磁路結(jié)構(gòu)，與本文設(shè)計的電動機(jī)相比，雖然其功率因數(shù)和效率較高，但其漏磁系數(shù)較大、永磁體用量較多且起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)較低。文獻(xiàn)[8]按照抽油機(jī)用電動機(jī)的要求，設(shè)計了一種抽油機(jī)用異步起動永磁同步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置混合式磁路結(jié)構(gòu)，雖然其經(jīng)濟(jì)運行范圍較大，但其轉(zhuǎn)子制造工藝復(fù)雜且永磁體用量較多。

為了解決普通異步電動機(jī)帶動圓盤式大慣量負(fù)載起動表現(xiàn)不佳的問題，同時為了節(jié)約能源、控制成本等, 本文設(shè)計了一種適用于大慣量負(fù)載的驅(qū)動電動機(jī)，設(shè)計過程中用有限元分析方法對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，最后利用Simulink軟件進(jìn)行了仿真分析，通過對比2種仿真結(jié)果，驗證了優(yōu)化設(shè)計的正確性和合理性。

1 設(shè)計原理與方法

1.1 設(shè)計原理

為了驅(qū)動圓盤式大慣量負(fù)載，電動機(jī)需要有較大的起動轉(zhuǎn)矩，若按照起動轉(zhuǎn)矩來選擇電動機(jī)的功率，則電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時負(fù)載率較低，導(dǎo)致功率因數(shù)和效率較低。針對這些問題，本文設(shè)計了適用于大慣量負(fù)載的驅(qū)動電動機(jī)，下面介紹其原理。

普通異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax和臨界轉(zhuǎn)差率sm計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

由上述公式可得，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到臨界轉(zhuǎn)差率為1時，電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩[8]。

由以上分析可得，提高起動轉(zhuǎn)矩,需要增大轉(zhuǎn)子電阻，可以通過改變轉(zhuǎn)子槽形及端環(huán)材料，有效增大轉(zhuǎn)子電阻，從而增大起動轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計深槽形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子槽形做得深且窄。電動機(jī)起動時，轉(zhuǎn)子電流頻率較高，由于集膚效應(yīng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流主要分布在轉(zhuǎn)子表面，從而降低了轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的有效截面，增大了轉(zhuǎn)子電阻，達(dá)到了增大起動轉(zhuǎn)矩的目的。在電動機(jī)正常運行時，轉(zhuǎn)子電流頻率較低，轉(zhuǎn)子漏抗大于普通異步電動機(jī)，轉(zhuǎn)速較低，處于高轉(zhuǎn)差狀態(tài)下，因此其功率因數(shù)和效率有所降低。

永磁同步電動機(jī)具有損耗小、功率因數(shù)高、效率高、功率密度高等特點，所以本文借鑒永磁同步電動機(jī)的特點，提出了在轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌裝磁鋼片的方法，利用磁拉力使電動機(jī)異步起動后牽入同步運行。

本文的設(shè)計適用于大慣量負(fù)載的驅(qū)動電動機(jī)，起動與牽入同步過程十分復(fù)雜，與一般的永磁同步電動機(jī)起動與牽入同步過程相似，故可以用一般的永磁同步電動機(jī)的起動與牽入同步理論解釋[9]。

1.2 設(shè)計方法

電動機(jī)帶動的負(fù)載基本參數(shù)如表1所示。

表1 負(fù)載參數(shù)

針對圓盤式大慣量負(fù)載的負(fù)載特性，并且綜合節(jié)約成本等因素，初步確定使用功率11kW、三相6極異步電動機(jī)，其型號為Y-160L-6，其參數(shù)見國家標(biāo)準(zhǔn)，但因為其起動轉(zhuǎn)矩等性能不滿足要求，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

負(fù)載為圓盤式大慣量負(fù)載，為了追求大轉(zhuǎn)矩起動的效果，在增大轉(zhuǎn)子電阻、提高電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的同時，需要將齒輪減速器和電動機(jī)結(jié)合起來，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、占地小，從而充分滿足小空間高扭矩輸出的需要。電動機(jī)通過齒輪帶動負(fù)載如圖1所示。

圖1 圓盤式大慣量負(fù)載系統(tǒng)示意圖

電動機(jī)使用3級減速齒輪箱，每級齒輪比為10∶1，大慣性負(fù)載為圓盤形。

電動機(jī)的機(jī)械運動方程如下：

(4)

根據(jù)電動機(jī)的機(jī)械運動方程和相關(guān)計算公式，經(jīng)過一系列的計算可得，大慣性負(fù)載需要的最小起動轉(zhuǎn)矩約為220N·m。

根據(jù)前文所述，僅滿足起動轉(zhuǎn)矩要求時，電動機(jī)會出現(xiàn)高轉(zhuǎn)差、功率因數(shù)和效率降低等問題，為了解決以上問題，本文提出了在轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌裝磁鋼片的設(shè)計。本文設(shè)計的適用于大慣量負(fù)載的驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式，內(nèi)置式又分為內(nèi)置徑向式與內(nèi)置切向式。內(nèi)置徑向式磁路結(jié)構(gòu)時永磁體高度和寬度的預(yù)估如下：

(5)

式中：Ks為電動機(jī)的飽和系數(shù)，其取值范圍為1.05～1.3；Ka為與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，其取值范圍為0.7～1.2[10]。

2 設(shè)計與有限元仿真

2.1 高轉(zhuǎn)差異步電動機(jī)設(shè)計

為了增大轉(zhuǎn)子電阻，對轉(zhuǎn)子槽形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。電動機(jī)原來的槽形為平行槽，本文按照中小型電動機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計新的槽形，估算新的槽形尺寸，在AnsysMaxwell中設(shè)計了刀形槽[11]。優(yōu)化前后轉(zhuǎn)子槽形及其尺寸如圖2所示。

(a) 平行槽及其尺寸

(b)刀形槽及其尺寸

由圖2可得，刀形槽的面積比平行槽的面積大，所以改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子電阻增大。由式(1)和式(2)可得，轉(zhuǎn)子電阻增大時，臨界轉(zhuǎn)差率增大，最大轉(zhuǎn)矩不變。結(jié)合式(3)可得，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到使臨界轉(zhuǎn)差率為1時，電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩，從而通過增大轉(zhuǎn)子電阻增大了起動轉(zhuǎn)矩。

2.2 高轉(zhuǎn)差異步電動機(jī)有限元仿真與分析

高轉(zhuǎn)差異步電動機(jī)額定負(fù)載運行時，對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等性能進(jìn)行了有限元仿真與分析，本文僅給出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線，如圖3所示。

(a) 電磁轉(zhuǎn)矩

(b)轉(zhuǎn)速

由圖3可得，負(fù)載起動時，電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩符合要求，電動機(jī)轉(zhuǎn)速也隨著時間上升，電動機(jī)的起動性能符合要求,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速約為680r/min。

通過有限元仿真所得的電動機(jī)的線負(fù)荷和電流密度對電動機(jī)溫升進(jìn)行估算，其結(jié)果如表2所示。

表2 電磁負(fù)荷控制數(shù)據(jù)對比值

從仿真與計算結(jié)果可得，首次改進(jìn)后的電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到了要求，但是首次改進(jìn)后電動機(jī)達(dá)到穩(wěn)定時運行于高轉(zhuǎn)差狀態(tài)，轉(zhuǎn)速較低，熱負(fù)荷比原電動機(jī)增大了93.5%，并且負(fù)載為恒功率負(fù)載時，在實際生產(chǎn)中電動機(jī)穩(wěn)定時負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，還會出現(xiàn)負(fù)載率較低等問題，所以電動機(jī)需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

2.3 大慣量負(fù)載下驅(qū)動電動機(jī)設(shè)計及有限元仿真

2.3.1 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對首次改進(jìn)后電動機(jī)出現(xiàn)的問題，借鑒永磁同步電動機(jī)的特性，進(jìn)一步對電動機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌裝永磁體，按照前述永磁體設(shè)計方法并且查閱相關(guān)設(shè)計手冊，設(shè)計的永磁體材料為燒結(jié)釹鐵硼，型號為N30H，設(shè)計了2種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)置徑向式和內(nèi)置切向式，并分別設(shè)計了永磁體尺寸。

2種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)用有限元軟件仿真得到其性能曲線，這里僅給出氣隙磁密及其諧波分析圖，如圖4所示。

(a) 切向式氣隙磁密

(b)切向式氣隙磁密諧波分析

(c) 徑向式氣隙磁密

(d) 徑向式氣隙磁密諧波分析

由圖4可得，切向式磁路結(jié)構(gòu)的氣隙諧波含量比徑向式磁路結(jié)構(gòu)的氣隙諧波含量明顯大一些。綜合性價比等因素，并且結(jié)合仿真所得其余的性能曲線，最終采用徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的方案。

2.3.2 磁鋼位置設(shè)計

按照永磁體離軸心的長度不同，設(shè)計出3個方案，圖5為永磁體距離軸心不同長度時有限元仿真的電動機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運行時磁密云圖及磁力線圖。

(a) 軸心距34 mm磁密云圖

(b)軸心距34 mm磁力線

(c) 軸心距40 mm磁密云圖

(d)軸心距40 mm磁力線

(e) 軸心距46 mm磁密云圖

(f)軸心距46 mm磁力線

永磁體距離轉(zhuǎn)子軸心的長度不僅影響氣隙磁密的大小，也影響漏磁的大小。由圖5可知，軸心距34mm時，磁鋼離轉(zhuǎn)軸較近，漏磁較大；軸心距為46mm時，磁鋼離槽較近，氣隙磁密較大，容易飽和；40mm時各種參數(shù)適中。

表3 不同磁鋼位置時的性能數(shù)據(jù)對比

由表3可得軸心距分別為34mm,40mm,46mm時，電動機(jī)的最大起動轉(zhuǎn)矩差距較大，負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)速和電動機(jī)到達(dá)穩(wěn)定的時間差距不大，但軸心距為40mm時這幾個性能數(shù)據(jù)最合適。綜合氣隙磁密、負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，最終選擇永磁體距離軸心40mm的方案。

2.3.3 大慣量負(fù)載下驅(qū)動電動機(jī)的有限元仿真

上文已經(jīng)給出了適用于大慣量負(fù)載的驅(qū)動電動機(jī)有限元仿真的部分結(jié)果，這里僅討論空載反電動勢。

空載反電動勢是電動機(jī)設(shè)計的重要指標(biāo)之一，其大小及正弦度好壞會對電動機(jī)的性能造成直接的影響。電動機(jī)A相繞組空載反電動勢的有限元仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) A相空載反電動勢波形

(b)A相空載反電動勢諧波分析

由圖6可得A相繞組空載反電動勢的5次、9次、15次諧波含量相對較大，5次諧波幅值30.93V，9次諧波幅值為25V，15次諧波幅值為15V，空載反電動勢總諧波含量達(dá)10.37%。由此可得，此電動機(jī)的空載反電動勢及其諧波含量在合理的范圍內(nèi)。

3 仿真結(jié)果

在磁路法基礎(chǔ)上，利用Simulink軟件對電動機(jī)進(jìn)行仿真，得到了電動機(jī)的性能曲線圖，如圖7所示[12]。

(a) 轉(zhuǎn)矩曲線

(b) 轉(zhuǎn)速曲線

電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時的仿真數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 2種仿真方式穩(wěn)態(tài)運行性能數(shù)據(jù)對比

由圖7和表4可以看出，電動機(jī)起動和穩(wěn)態(tài)運行時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電流誤差在允許的范圍內(nèi)，從而相互驗證了有限元仿真和Simulink仿真結(jié)果的正確性，證明了本文對電動機(jī)的優(yōu)化和設(shè)計是合理的。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種適用于大慣量負(fù)載的驅(qū)動電動機(jī)，并進(jìn)行了有限元仿真和Simulink仿真分析，得出以下結(jié)論：

1) 僅對轉(zhuǎn)子槽形優(yōu)化設(shè)計后，電動機(jī)雖然能夠滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求，但電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時存在轉(zhuǎn)速較低、熱負(fù)荷增大了93.5%等問題。

2) 通過分別對2種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)和3個永磁體軸心距對比分析，采用內(nèi)置徑向式磁路結(jié)構(gòu)且永磁體軸心距40mm時，電動機(jī)的主要性能參數(shù)最合適。

3)Simulink仿真與有限元仿真結(jié)果的誤差在允許的范圍內(nèi)，驗證了本文優(yōu)化設(shè)計的合理性。

本文設(shè)計的電動機(jī)可應(yīng)用于起動轉(zhuǎn)矩大、不宜使用變頻器起動、成本低等場合，為針對大慣量負(fù)載設(shè)計驅(qū)動電動機(jī)開創(chuàng)了一種新的思路，具有實際意義與理論價值。