Y450-4 630 kW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)永磁改造方案設(shè)計(jì)

趙海寧，于慎波

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

Y系列中型高壓三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)中型高壓電機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，可驅(qū)動(dòng)各種通用機(jī)械，在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用。機(jī)械設(shè)備的常規(guī)功率選型一般以最大工作能力為參照，因此絕大部分機(jī)械裝備的實(shí)際負(fù)載率一般都在20%～80%之間，一些風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載長(zhǎng)期處于50%以下。感應(yīng)電機(jī)在低負(fù)載率時(shí)的效率和功率因數(shù)都非常低，造成了電力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。永磁電機(jī)的特性使其在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持較高的效率和功率因數(shù)。如果能將普通感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行永磁改造，可以在較小的成本投入下取得巨大節(jié)能效果。本文論述在一臺(tái)Y450-4 630 kW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行用永磁改造方案設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析和對(duì)比。

1 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

1.1 槽配合的選擇

永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽數(shù)通常在定轉(zhuǎn)子槽配合選用原則的允許范圍內(nèi)選擇電動(dòng)機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍。原感應(yīng)電機(jī)定子為60槽，推薦槽配合有60/50、60/52、60/68、60/70、60/74[1]，考慮到少槽、近槽配合可以減小雜散損耗以及永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加工工藝等問題，最終選取60/52的直槽配合。

1.2 氣隙長(zhǎng)度的選擇

原Y450-4 630 kW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度為1.9 mm，永磁同步電動(dòng)機(jī)為減小雜散損耗、降低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲。為便于裝配其氣隙長(zhǎng)度一般要比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙大。氣隙長(zhǎng)度的增大，不僅可以減小定、轉(zhuǎn)子漏抗和電機(jī)同步電抗，提高平均異步轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩，改善電機(jī)起動(dòng)性能，還可以提高電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，增強(qiáng)其過載能力。但氣隙長(zhǎng)度增大的同時(shí)，磁路的磁阻也急劇增加，使得漏磁增大，永磁材料的利用率降低。

1.3 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)磁負(fù)荷以及轉(zhuǎn)子沖片的空間來確定，在滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的前提下，合理的控制漏磁以提高永磁材料的利用率，同時(shí)保證永磁體不發(fā)生不可逆退磁。

由于表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子表面無法安放起動(dòng)繞組，無異步起動(dòng)能力，因此必須選擇內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。根據(jù)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部空間情況，徑向式結(jié)構(gòu)不能放置足夠的永磁體，內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)和內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu)永磁體放置能力依次提高，但加工工藝難度也隨之提高。內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu)可以放置最大量的永磁體，適用于轉(zhuǎn)子空間相對(duì)較為緊張的電動(dòng)機(jī)[2-3]。

1.4 永磁體的設(shè)計(jì)

永磁體的尺寸除影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能外，還影響著電動(dòng)機(jī)中的漏磁因數(shù)，從而也決定了永磁體的利用率。其主要尺寸有3個(gè)：軸向長(zhǎng)度LM、磁化方向長(zhǎng)度hM和寬度bM。軸向長(zhǎng)度LM一般取與電動(dòng)機(jī)鐵心軸向長(zhǎng)度相等或者稍小于鐵心軸向長(zhǎng)度；寬度bM是提供總磁通的長(zhǎng)度，是決定電動(dòng)機(jī)磁負(fù)荷的主要因素；磁化方向長(zhǎng)度hM主要影響永磁體的工作點(diǎn)，使永磁體有足夠能量不致退磁，且影響轉(zhuǎn)子部分磁路的電抗，進(jìn)而影響電機(jī)的整體性能。三者的大小以及比例關(guān)系等也將直接影響到永磁體材料的生產(chǎn)和加工的難易程度，因此一定要保證永磁體設(shè)計(jì)的合理性。

1.5 轉(zhuǎn)子槽形的選擇

轉(zhuǎn)子槽形種類很多，他不僅是影響永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能及牽入同步能力的關(guān)鍵因素，也是永磁同步電動(dòng)機(jī)極間漏磁的主要途徑。閉口槽工藝簡(jiǎn)單，又可降低電動(dòng)機(jī)的雜散損耗，但是轉(zhuǎn)子漏抗大，極間漏磁增大；開口槽轉(zhuǎn)子漏抗小，極間漏磁減小，但是沖模制造復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)的雜散損耗增大。轉(zhuǎn)子槽淺而寬，相鄰兩極之間的齒部空間小、磁阻大，漏磁較小；轉(zhuǎn)子槽深而窄，相鄰兩極之間的齒部空間大、磁阻小，漏磁較大。

從起動(dòng)和牽入同步兩方面考慮：在s=1時(shí)，要使轉(zhuǎn)子從靜止加速轉(zhuǎn)動(dòng)起來，應(yīng)具有較大的轉(zhuǎn)矩，即要求有較大的轉(zhuǎn)子電阻和較小的定、轉(zhuǎn)子漏抗；在s趨近0時(shí)，要順利的牽入同步，也應(yīng)具有較大的轉(zhuǎn)矩，又要求有較小的轉(zhuǎn)子電阻。因此，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條面積要足夠大，且選用的槽型應(yīng)能形成較為顯著的集膚效應(yīng)。對(duì)于鑄鋁鼠籠，可選用凸形槽、刀形槽；對(duì)于銅條鼠籠，可選用矩形槽。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 沖片結(jié)構(gòu)初步方案

轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)為內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu)，為了保持原通風(fēng)架構(gòu)、保證散熱效果，轉(zhuǎn)子軸向需要開有足夠面積的通風(fēng)孔，初步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子沖片如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)圖

永磁體槽占據(jù)絕大部分轉(zhuǎn)子沖片，其面積大于永磁體所需空間，剩余面積也可用作軸向通風(fēng)。軸向通風(fēng)孔只能開在“W”形永磁體槽的中間部位，其大小、位置對(duì)外磁路有很大的影響。

2.2 方案調(diào)整

在基本方案的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步調(diào)整永磁體的各關(guān)鍵尺寸，以期達(dá)到提高性能、節(jié)省材料的目的。方案調(diào)整對(duì)比對(duì)電機(jī)性能影響見表1。

表1 永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響對(duì)比表

合理的減小轉(zhuǎn)子漏抗可以提高永磁電動(dòng)機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩，改善電機(jī)的起動(dòng)性能，使其具有較為合理的T-s曲線。因此在保證電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和牽入同步能力的同時(shí)，需合理調(diào)整轉(zhuǎn)子槽形尺寸，其對(duì)比關(guān)系見表2。

表2 轉(zhuǎn)子槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響對(duì)比表

本設(shè)計(jì)方案中的隔磁結(jié)構(gòu)主要分布在永磁體槽之間及永磁體槽與轉(zhuǎn)子鼠籠槽之間。為了保證沖片的機(jī)械強(qiáng)度和沖模的使用壽命，隔磁磁橋的長(zhǎng)度均選為1.5 mm，為了更好控制漏磁，應(yīng)在沖片機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下盡量增加隔磁磁橋的寬度。

在轉(zhuǎn)子槽槽底與切向永磁體槽間的隔磁磁橋處，由于永磁體槽寬度較大，隔磁磁橋?qū)挾戎饕赊D(zhuǎn)子槽底寬度決定，而轉(zhuǎn)子槽底寬度首先要滿足電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，因此此處不再優(yōu)化。而切向永磁體槽與徑向永磁體槽間的隔磁磁橋處，徑向永磁體槽尺寸較小，隔磁磁橋?qū)挾戎饕芷湎拗?。?jīng)電磁場(chǎng)計(jì)算，得出數(shù)據(jù)如表3所示，最終選定隔磁磁橋?qū)挾葹?0 mm。

表3 隔磁磁橋?qū)挾葘?duì)空載漏磁因數(shù)影響對(duì)比表

2.3 有限元分析與驗(yàn)證

運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行二維電磁場(chǎng)分析和計(jì)算，得出磁力線分布如圖2所示，相空載反電動(dòng)勢(shì)波形如圖3所示。

圖2 磁力線分布圖

圖3 相反電動(dòng)勢(shì)波形圖

經(jīng)二維電磁場(chǎng)計(jì)算可得出空載漏磁因數(shù)約為1.28，考慮端部漏磁及制造工藝的影響，電動(dòng)機(jī)實(shí)際的空載漏磁系數(shù)應(yīng)在1.32～1.42之間，本方案所選取的空載漏磁系數(shù)為1.38，在合理的范圍之內(nèi)。

2.4 改造效果對(duì)比及成本分析

改造前后的電機(jī)不同負(fù)載率下的主要性能指標(biāo)對(duì)比如表4所示，永磁電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)都有一定提升。但是由于原感應(yīng)電機(jī)的性能指標(biāo)相對(duì)較高，效率提升幅度并不明顯，而低負(fù)載率時(shí)的功率因數(shù)提升幅度較大。

表4 主要性能指標(biāo)對(duì)比表

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌入永磁體，材料成本和加工成本都較普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有所增加。每臺(tái)的永磁體用量約為107 kg，市價(jià)約合2萬元左右，再加上轉(zhuǎn)子沖片等的加工成本，每臺(tái)電機(jī)的綜合改造成本在3萬元左右。

3 結(jié)論

原Y450-4 630 kW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)屬Y系列中型高壓三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是目前國(guó)內(nèi)中型高壓電機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，其性能指標(biāo)較高，轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)，內(nèi)部空間有限，因此改造設(shè)計(jì)有一定困難。改造方案永磁體用量較大，改造成本也較高，改造后的永磁同步電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)都有一定的提高，長(zhǎng)期運(yùn)行將有較好的節(jié)能效果，尤其是在低負(fù)載率運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)提升幅度較大，將會(huì)大幅減少無功消耗。