IE4緊湊型變頻調(diào)速三相永磁同步電機的研制*

王建輝, 張 勇, 王鴻鵠

(1.上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司,上海 200063；2.雙龍集團上海防爆電機鹽城股份有限公司，江蘇 鹽城 224007；3.上海電科電機科技有限公司，上海 200063)

0 引 言

2016年，IEC發(fā)布了IEC TS 60034-30-2:2016標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了變頻器供電的變頻調(diào)速電機的能效等級，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)等同轉(zhuǎn)化為GB/T 32891.2—2019[1]。標(biāo)準(zhǔn)中將變頻器驅(qū)動的電機效率分為IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 5個等級，并給出了電機效率的計算方法。該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍：額定功率0.12～1 000 kW，額定電壓50～1 000 V，額定轉(zhuǎn)速600～6 000 r/min。在確定不同效率等級的標(biāo)準(zhǔn)值時，標(biāo)準(zhǔn)中給出了為計算標(biāo)稱效率限定值的參考效率值，結(jié)合插值公式和高頻附加損耗系數(shù)，計算得到標(biāo)稱效率值，并以該標(biāo)稱效率值為電機90%額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下效率的考核值。

為了完善我國工業(yè)電機的產(chǎn)品體系，推動中小型電機行業(yè)技術(shù)進步，滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，自2019年3月起，在中小型電機行業(yè)開展了IE4能效等級的緊湊型變頻調(diào)速三相永磁同步電機產(chǎn)品的開發(fā)，成立了由上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司、上海電科電機科技有限公司、金華江科動力有限公司、江蘇錫安達(dá)防爆股份有限公司、江蘇大中電機股份有限公司、安波電機(寧德)有限公司、西門子電機(中國)有限公司、上海ABB電機有限公司、長沙長利電氣有限公司等企業(yè)組成的產(chǎn)品開發(fā)聯(lián)合設(shè)計工作組，確定系列產(chǎn)品名稱為“TYP系列變頻調(diào)速三相永磁同步電動機”，功率范圍：0.55～315 kW，機座號：80～355，轉(zhuǎn)速：3 000 r/min、1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min，冷卻方式IC416，完成了共95個規(guī)格的電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機型譜參考了YE4系列(IP55)三相異步電機[2]，并在其基礎(chǔ)上降低了機座號。與通用籠型異步電機相比，該系列產(chǎn)品在相同功率和轉(zhuǎn)速情況下，普遍降低了1～2個機座號，從而大幅降低了電機的制造成本，有利于電機的市場推廣。

研制過程中對場路結(jié)合設(shè)計方法、極數(shù)選擇分析、削弱轉(zhuǎn)矩波動設(shè)計、抗去磁能力分析、縮小機座號的機械性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)做了研究。其中場路結(jié)合方法是一種兼顧精度和效率的方法[3-5]。為了提高設(shè)計精度和縮短設(shè)計周期，該系列產(chǎn)品的電磁設(shè)計采用了一種基于場路結(jié)合的設(shè)計方法[6]，主要是通過電流源激勵2D有限元時步法的分析結(jié)果反推得到基于交直軸雙反應(yīng)理論的永磁同步電機電路、磁路模型中的參數(shù)，從而得到確定的永磁同步電機解析模型，再通過解析模型來設(shè)計相同沖片結(jié)構(gòu)的同機座同轉(zhuǎn)速的其他規(guī)格。

根據(jù)系列設(shè)計的結(jié)果，與YE2、YE4本體有效材料作了對比，說明了TYP系列在達(dá)到高于IE4效率的同時成本較低。

最后，通過樣機試制、測試結(jié)果，驗證了本系列設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果和設(shè)計方法的正確性。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

為了確保所開發(fā)電機產(chǎn)品的效率等級能夠達(dá)到IE4，降低電機的成本，縮短設(shè)計周期，針對電磁和機械設(shè)計方法進行了研究，主要內(nèi)容如下。

1.1 場路結(jié)合設(shè)計方法

電磁場有限元計算方法是一種常用的永磁電機設(shè)計方法，具有計算準(zhǔn)確和適應(yīng)性強的優(yōu)點，但是在永磁電機系列設(shè)計中，電機規(guī)格數(shù)較多，用電磁場進行設(shè)計會降低設(shè)計速度，不能滿足工程實際的需求。

考慮到系列設(shè)計電機的結(jié)構(gòu)具有電磁結(jié)構(gòu)一致性，本系列產(chǎn)品開發(fā)中采用了一種場路結(jié)合的設(shè)計方法，該方法提出了一種永磁電機的電磁性能計算方法，采用路方法進行設(shè)計，其中的部分參數(shù)通過典型規(guī)格電機的電磁場分析得出，并在設(shè)計完畢后，通過電磁場有限元計算對典型規(guī)格設(shè)計方案進行仿真驗證，這樣一方面提升了設(shè)計速度，另一方面也能夠保證產(chǎn)品的設(shè)計精度。

本項目提出的電機場路結(jié)合的設(shè)計方法，為該系列產(chǎn)品的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。全系列共有95個規(guī)格，當(dāng)選擇每個機座號、不同極數(shù)下的最長鐵心長度規(guī)格為場路結(jié)合計算設(shè)計方案后，需要進行電磁場分析的方案僅有25個，其余方案均可以通過路方法派生設(shè)計。電機型譜如表1所示。

總設(shè)計時間縮短了約60%，大大提升了開發(fā)效率。該設(shè)計方法已整合到電機工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同設(shè)計平臺，能夠為整個電機行業(yè)提供設(shè)計服務(wù)。

1.2 極數(shù)選擇分析

同一個功率和轉(zhuǎn)速，可對應(yīng)多個極數(shù)方案，進而形成不同的極槽配合，對電機的性能有著不同的影響[7-8]。為了分析TYP系列永磁同步電機的較優(yōu)極數(shù)方案，本文以一臺160機座號，22 kW，1 500 r/min樣機為例，設(shè)計了如圖1所示的4極、6極和8極電磁方案，進行有限元分析，并對結(jié)果進行對比。

圖1 不同極數(shù)電機結(jié)構(gòu)

表1 系列電機型譜

通過計算得到電機參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表2 參數(shù)匯總

可見，1 500 r/min額定轉(zhuǎn)速、電機的效率和其他性能參數(shù)相當(dāng)時，采用8極設(shè)計具有較低的成本、較低的轉(zhuǎn)矩波動和較高的效率。在本系列產(chǎn)品的設(shè)計中，3 000 r/min采用了6極設(shè)計，1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min電機采用了8極設(shè)計。

1.3 削弱轉(zhuǎn)矩波動設(shè)計

本系列電機采用V形內(nèi)插式永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計方案。為了降低轉(zhuǎn)矩波動，對不同V形展開角、極弧系數(shù)等多方案作對比[9-10]。

以一臺160機座號，22 kW，1 500 r/min，8極電機為例，分析不同極弧系數(shù)和V形展開角下轉(zhuǎn)矩平均值和轉(zhuǎn)矩波動的變化。

如表3和圖2所示，改變電機的極弧系數(shù)，可得平均力矩和轉(zhuǎn)矩波動。轉(zhuǎn)矩波動是指轉(zhuǎn)矩的峰峰值與平均值的比。

表3 不同極弧系數(shù)的平均力矩和轉(zhuǎn)矩波動

圖2 不同極弧系數(shù)的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動

從圖2可知，隨著極弧系數(shù)增加到0.73，轉(zhuǎn)矩脈動最小，為1.16%。

當(dāng)極弧系數(shù)為0.708～0.719時，在最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動之間取得平衡。

通過設(shè)計不同的磁鋼張角，然后計算不同磁鋼張角對轉(zhuǎn)矩波動的影響。為了比較相同成本方案，采用不同磁鋼張角并保持磁鋼總面積不變。計算結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 不同磁鋼張角平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動

圖3 不同磁鋼張角下的平均轉(zhuǎn)矩和波動

根據(jù)分析結(jié)果，本系列電機設(shè)計時采用下列設(shè)計規(guī)范：

(1) 每極槽數(shù)6時，可采用4.25/6=0.708 3的極弧系數(shù)；

(2) 每極槽數(shù)9時，可采用6.25/9=0.694 4的極弧系數(shù)；

(3) 每極槽數(shù)12時，可采用8.25/12=0.687 5的極弧系數(shù)；

(4) V型磁鋼展開角130°。

按上述設(shè)計規(guī)范，全系列電機的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動低于5%，保證了電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

1.4 抗去磁能力分析

通過對電磁方案的仿真分析，通過校核的程序，得到如圖4所示去磁工作特性，其退磁曲線從左上到右下的三個點分別為空載工作點，額定負(fù)載工作點和過載工作點。過載是指兩倍額定電流過載。

圖4 磁鋼工作點

計算3 000 r/min和1 500 r/min額定轉(zhuǎn)速的各個規(guī)格，可以得到各工作點的磁密標(biāo)幺值和磁勢標(biāo)幺值。

其中兩倍額定電流過載去磁工作點磁密標(biāo)幺值如圖5所示。

圖5 兩倍額定電流過載去磁工作點磁密標(biāo)幺值

從圖5中可以看到，最低磁密標(biāo)幺值0.272。磁鋼均選用N38UH磁鋼，按100 ℃的曲線，其拐點的磁密標(biāo)幺值小于0，因此所有規(guī)格都可以保證在兩倍額定電流下不會發(fā)生去磁，并且具有較大的余量。

本系列電機設(shè)計采用下列規(guī)范來保證抗去磁能力：

(1) 磁鋼空載工作點磁鋼磁密標(biāo)幺值不低于0.7；

(2) 磁鋼額定工作點磁鋼磁密標(biāo)幺值不低于0.5；

(3) 磁鋼2倍負(fù)載電流工作點磁鋼磁密標(biāo)幺值不低于0.27；

(4) 磁鋼選用UH牌號，最高工作溫度180 ℃。

1.5 縮小機座號的機械性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機縮小機座號后，對結(jié)構(gòu)強度提出了更高的要求。本系列電機設(shè)計針對軸伸鍵應(yīng)力、軸承載荷和壽命、軸的強度和剛度、軸的危險截面安全系數(shù)等作了計算校核。通過計算分析，確定采用YE2(YX3)相同機座和鐵心三圓。3 000 r/min的系列機座采用YE2(YX3)系列異步電機2極機座、軸承、軸伸及軸伸鍵；1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min的系列機座采用YE2系列異步電機4極、6極和8極對應(yīng)機座、軸承、軸伸和軸伸鍵(YE2系列異步電機4極、6極和8極機座相同)。

針對V形內(nèi)插式轉(zhuǎn)子沖片，核算了加強筋的離心應(yīng)力。最高速(按3 000 r/min的1.2倍，即4 320 r/min)下由離心力引起的最大應(yīng)力不高于硅鋼片屈服強度。

轉(zhuǎn)軸材料應(yīng)采用45#鋼，并作調(diào)質(zhì)處理。

1.6 安全性設(shè)計

因為機座號縮小和功率放大，應(yīng)按GB/T 14711—2013 《中小型旋轉(zhuǎn)電機通用安全要求》檢查接線柱直徑要求和爬電距離。為保證機座和接線柱通用，部分縮小機座較多的規(guī)格，需要從3路出線改為2個3路(6路)出線(電機為星型接法)，以降低接線柱載流量。225和280機座3 000 r/min的規(guī)格需要改大接線板上螺栓的直徑。

2 成本對比

在電機材料成本方面，由于本系列電機普遍降低了機座號，在機座、端蓋等結(jié)構(gòu)件成本上顯然具有更低的成本。

經(jīng)統(tǒng)計，TYP系列變頻調(diào)速三相永磁同步電機和YE2(IP55)籠型三相異步電機比較，其有效材料成本如圖6和圖7所示。

圖6 3 000 r/min時TYP和YE2(IP55)不同轉(zhuǎn)矩規(guī)格的有效材料成本

圖7 1 500 r/min時TYP和YE2(IP55)不同轉(zhuǎn)矩規(guī)格的有效材料成本

上述有效材料成本按表5和表6的設(shè)定價格。

表5 YE2系列有效材料設(shè)定價格 元/kg

表6 TYP系列有效材料設(shè)定價格 元/kg

從上面對比可以看出，TYP系列變頻永磁同步電機的成本低于同功率YE2(IP55)，從而遠(yuǎn)低于YE4(IP55)三相異步電機。

3 樣機試制情況

按項目計劃任務(wù)書要求，選取不同功率、不同轉(zhuǎn)速的20個規(guī)格作為樣機方案試制，功率涵蓋0.55～315 kW四個轉(zhuǎn)速規(guī)格，如圖8所示。其中7臺典型規(guī)格樣機的型式試驗數(shù)據(jù)如表7所示。

圖8 樣機型式試驗

從試驗結(jié)果可以看出，電機效率指標(biāo)均達(dá)到了IE5效率等級，超過了原定的IE4能效的設(shè)計要求。樣機全部規(guī)格可以在0.25倍額定轉(zhuǎn)速～1.0倍額定轉(zhuǎn)速之間恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，1.0倍額定轉(zhuǎn)速～1.2倍額定轉(zhuǎn)速恒功率調(diào)速，電機綜合性能達(dá)到了設(shè)計要求。后續(xù)根據(jù)試驗情況，降低了硅鋼片牌號，以使得電機效率保證為IE4。

表7 樣機試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

通過場路結(jié)合設(shè)計方法，完成了IE4效率等級TYP系列變頻調(diào)速永磁同步電機4個轉(zhuǎn)速系列95個規(guī)格產(chǎn)品的開發(fā)，開拓了國內(nèi)變速驅(qū)動領(lǐng)域。樣機大部分規(guī)格已達(dá)到IE5，為IE5效率等級的系列產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

在變頻調(diào)速的場合， TYP系列永磁同步電機的效率可以達(dá)到IE4和IE5，遠(yuǎn)超YVF2異步變頻電機；在型譜方面，TYP系列變頻調(diào)速三相永磁電機普遍降低了1～2個機座號，使得其成本低于YVF2等通用變頻電機；也可以通過縮短疊長派生出與YVF2相同型譜的產(chǎn)品，以適應(yīng)舊設(shè)備的安裝尺寸。因此，在變頻調(diào)速的場合，TYP系列變頻調(diào)速三相永磁電機具有很大的優(yōu)勢。