一種新型永磁電機轉子結構的對比分析

徐曉慧

(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯154002)

0 引言

永磁電機有效率高、重量輕、運行穩定等諸多優點,但隨著越來越多的永磁電機投入生產及使用,永磁電機的缺點也暴露出來,那就是成本問題,成本占比最高的就是永磁體部分,隨著永磁體價格逐漸攀升,給永磁電機制造帶來不少成本壓力。所以為了解決成本問題,減少永磁體的用量但又不影響電機性能,優化永磁電機電磁方案成了重中之重。

如今,有一種新型的永磁電機轉子結構,可以減少永磁體的用量,降低永磁電機的成本,現在以710kW-6極10kV永磁電機為例,分析該種新型永磁電機轉子結構是否可以減少永磁體的用量從而降低制造成本,且不降低永磁電機的性能。

1 磁路結構

按照永磁體在轉子上位置的不同,永磁同步電動機的轉子磁路結構一般可以分為三種：表面式、內置式和爪極式。本文對比分析的是內置式中的“一”字型結構,以710kW-6極10kV永磁電機為例,和新型轉子結構進行全方面對比分析。

圖1是傳統“一”字型永磁轉子結構,圖2就是本文要重點介紹的是一種新型永磁轉子結構。

圖1 傳統“一”字型永磁轉子結構

圖2 新型永磁轉子結構

從圖1可知,磁鋼分布呈“一”字型,且每塊磁鋼大小一致;由圖2可知,轉子上鑲嵌了兩套磁鋼,靠近轉子外徑的磁鋼分布呈“一”字型,靠近轉子內徑的磁鋼分布呈“V”字型,兩套磁鋼大小不一致。為了更準確的對比分析兩種轉子結構,兩種轉子結構的三圓、線規匝數、氣隙、鐵心長、轉子起動籠大小完全和永磁體牌號一致。

1.1 空載狀態

對永磁電機進行空載仿真時,要確定空載反電勢。空載反電勢是永磁電機被拖動起來在同步轉速下作為發電機空載運行,此時出線端的電壓就是空載反電勢。空載反電勢是判定永磁電機性能是否能滿足要求的重要標準之一。

在Ansys軟件中,將生產的2D場下“Excitations”中的“PhaseA”、“PhaseB”和“PhaseC”下的“Winding Type”從“Current”改為“Voltage”,這樣設置得到的結果就是永磁電機的空載狀態仿真模擬,在此條件下,我們可以知道永磁電機的空載反電勢和磁密等參數。 從圖3可知,采用“一”字型轉子結構永磁電機的空載反電勢是9.24kV,從圖4可知,采用新型永磁轉子結構的永磁電機的空載反電勢是9.06kV。兩者空載反電勢皆接近額定電壓10kV,取值合理。且從圖4可以看出,新型轉子結構的永磁電機的相電壓曲線波動少,諧波含量少,比圖3更接近于正弦波形。

圖3 “一”字型轉子結構相空載反電勢波形圖

圖4 新型永磁轉子結構相空載反電勢波形圖

從圖5和圖6的兩種轉子結構的磁密云圖可知,磁密分布均勻,均無過飽和點,說明永磁體的大小和位置分布合理。盡管從圖上看,有個別點的磁密比較高,但在實際生產中,該處都進行了圓角處理,會大大改善現在個別點磁密高的現象。

圖5 “一”字型轉子結構磁密云圖

圖6 新型轉子結構磁密云圖

1.2 額定狀態

電機的電磁方案是否合格,主要看電機能否輸出額定轉矩6.8kNm、額定電流45A,效率95.1%和功率因數0.96。同時也要看轉矩脈動,轉矩脈動是指輸出的轉矩在一定范圍內波動,轉矩脈動影響著電機的噪聲和振動,轉矩脈動過大,會影響電機的穩定性,所以,在調整永磁的電磁方案時,轉矩脈動小于額定轉矩的10%我們視為電磁方案合理,這樣,轉矩脈動的影響我們可以忽略不計。

在Ansys軟件中,選中生產的2D場,將“Model”下的“MotionSetup”中的“Mechanical”選中“Consider Mechanical Trans”,這樣設置得到的結果就是永磁電機的額定狀態的仿真模擬,在此條件下,我們可以知道永磁電機的額定轉矩、額定電流和功率因數等參數。

由圖7和圖8可知,采用“一”字型轉子結構的永磁電機的額定轉矩6.9kNm,轉矩脈動是0.3kNm,轉矩脈動是額定轉矩的4.3%,額定電流是42.5A,滿足電機性能要求。

圖7 “一”字型轉子結構額定轉矩曲線

圖8 “一”字型轉子結構額定電流曲線

由圖9和圖10可知,采用新型永磁轉子結構的電機的額定轉矩6.9kNm,轉矩脈動是0.45kNm,轉矩脈動是額定轉矩的6.5%,額定電流是42.9A,滿足電機性能要求。

圖9 新型轉子結構額定轉矩曲線

圖10 新型轉子結構額定電流曲線

50Hz下的同一相的電壓和電流的相位角差值的余弦值,就是永磁電機的功率因數,由圖11和圖12可知,“一”字型轉子結構的功率因數是0.985,新型轉子結構的功率因數是0.996,同時,通過電機公式,額定功率除以根號3除以電壓除以功率因數除以效率等于電機的電流,“一”字型轉子結構的效率是97.9%,新型轉子結構的效率是95.9%,皆滿足電機的性能需求。

圖11 “一”字型轉子結構功率因數

圖12 新型轉子結構功率因數

由對比可知,兩種轉子結構輸出的額定轉矩、額定電流、效率和功率因數均能滿足電機的性能要求,雖然新型轉子結構的轉矩脈動略微大于“一”字型轉子結構的轉矩脈動,但仍在可以接受的范圍內,整體來看,雖然“一”字型轉子結構的性能參數略高于新型轉子結構的性能參數雖然,但兩者均滿足電機的性能要求。

1.3 失步狀態

當電機的負載轉矩大到一定程度,永磁同步電機不能維持在同步轉速運行,此時的負載轉矩就是電機的最大負載轉矩,在永磁電機領域,最大負載轉矩稱為失步轉矩,也就是說,失步轉矩的大小證明了永磁電機的過載能力的大小。

由圖13和圖14可知,采用“一”字型轉子結構的永磁電機失步轉矩是16.12,失步轉矩倍數是2.4,采用新型轉子結構的永磁電機的失步轉矩是14.76kNm,失步轉矩倍數是2.1,從結果上看,“一”字型轉子結構的過載能力大于新型轉子結構的過載能力,但皆滿足失步轉矩倍數是1.8的要求。

圖13 “一”字型轉子結構負載轉矩曲線

圖14 新型轉子結構負載轉矩曲線

經上述分析,盡管采用新型轉子結構的永磁電機在性能參數上略微低于采用傳統轉子結構的永磁電機,但仍能滿足電機的性能指標,可以說,采用這兩種轉子結構的永磁電機性能皆能滿足要求。

2 成本對比

在Ansys仿真時,可以得到各種原材料的重量,如圖15和圖16所示。

圖15 “一”字型轉子結構原材料重量

圖16 新型轉子結構原材料重量

由圖15和圖16可知,由于之前我們定義了三圓、鐵心長等除永磁體尺寸外的參數皆一致的原因,電機所需的銅重、鐵重等都一致,原材料重量主要差在永磁體上,采用“一”字型轉子結構的永磁電機所需永磁體重是128.9kg,采用新型轉子結構的永磁電機所需永磁體重是81.4kg,由此可見,新型永磁轉子結構在保證性能的前提下大大降低了永磁體的重量,從而降低了成本。

3 結語

通過以上分析可知,在保證性能的前提下,新型永磁轉子結構用的永磁體重量比“一”字型永磁轉子結構用的永磁體重量少,從而使永磁電機的制造成本降低,完美解決了永磁電機成本高的問題。