高壓自起動永磁同步電動機的設計及實驗研究

摘 要：該文主要探究高壓自起動永磁同步電動機的設計要點，并對其性能進行實驗探究。定子設計主要包括合理選擇定子沖片以及確定定子槽數，同時將定子繞組的端部連接形式改為“Y”接形式，避免諧波在定子繞組之間產生環流。轉子設計主要包括選擇合理的轉子槽型，以及采用內置式磁路結構，并通過加裝隔磁磁橋的方式，避免磁路結構發生漏磁現象。結合設計方案改造電動機，并進行溫升實驗和振動實驗。結果表明，該電動機在滿載時效率穩定在98%左右，功率因數達到0.997，在穩態時的設計性能較好。在風機正常工作情況下，繞組與軸承等可以很快達到熱平衡狀態，熱穩定性良好。電動機振動較小，運行平穩，綜合性能良好。

關鍵詞：高壓自起動永磁同步電動機；定子沖片；轉子永磁體；溫升實驗；設計要點

中圖分類號：TM341 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0126-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of high-voltage self-starting permanent-magnet synchronous motor and makes an experimental study on its performance. The stator design mainly includes reasonably selecting the stator lamination plate and determining the number of stator slots， and changing the end connection form of the stator winding to "Y" connection to avoid the circulating current between the stator windings. The rotor design mainly includes the selection of reasonable rotor slot type， the use of built-in magnetic circuit structure， and the installation of magnetic isolation bridge to avoid magnetic leakage. Based on the design scheme， the motor is reformed， and the temperature rise experiment and vibration experiment are carried out. The results show that the efficiency of the motor stable at around 98% at full load， and the power factor can reach 0.997. The design performance of the motor is good in steady state. In the normal working conditions of the fan， the windings and bearings can reach the state of thermal balance quickly and have good thermal stability. The motor has the advantages of small vibration， stable operation and good comprehensive performance.

Keywords： high-voltage self-starting permanent-magnet synchronous motor; stator lamination; rotor permanent-magnet; temperature rise experiment; design point

在各行各業大力推廣節能減排的背景下，研發和使用低功耗、高效率、高功率因數的電動機，能夠發揮顯著的經濟效益和社會效益。高壓自起動永磁同步電動機因其具有自行起動能力，在定速驅動領域得到了廣泛應用；同時融合了永磁電機高效率、高功率因數的優勢，逐步替代了傳統的異步感應電機。但是在高壓自起動永磁同步電動機的應用中，仍然存在容易發生漏磁、熱穩定性差等問題。因此，必須要結合電動機的工作環境、結構特點對定子、轉子等重要構件展開優化設計，從而進一步改善高壓自起動永磁同步電動機的性能。

1 高壓自起動永磁同步電動機的設計

1.1 定子設計

1.1.1 定子沖片的設計

高壓自起動永磁同步電動機的定子沖片，根據電動機中心高的不同，其型式也有差異。通常來說，當電動機的中心高較小時，選擇圓形定子沖片；當電動機的中心高較大時，選擇扇形定子沖片，每片的圓心角為30°。另外，定子槽數（Q）也是定子沖片設計中的核心參數，主要與每極每相槽數（q）、相數（m）以及電機極數（p）有關，計算公式為

Q=。

增加q值，有助于降低定子諧波磁場，減少附加損耗，并且提高定子線圈的散熱能力，但是材料加工成本也會相應上升。對于高壓自起動永磁同步電動機，q值一般控制在2～6之間（取整）。在不同極數下，定子槽數的數量見表1。

1.1.2 定子繞組的設計

在高壓自起動永磁同步電動機運行中，會形成以轉子永磁體為中心的氣隙磁場，當導線通過氣隙磁場時，從導線內部流過的電流會產生諧波。為了避免諧波在定子繞組產生環流，將定子繞組的端部設計成“Y”接形式。同時，將定子線圈設計成雙層疊繞形式，盡量縮小上下2層繞組之間的間距改善氣隙磁場波形。

1.2 轉子的設計

1.2.1 轉子槽型設計

高壓自起動永磁同步電動機的轉子槽型可分為2種基本類型，即閉口槽和半閉口槽。其中，閉口槽又可細分為閉口梯形槽、閉口梨形槽等若干種，半閉口槽則可以分成凸形槽、刀形槽、圓形槽等[1]。從實際應用效果來看，閉口槽轉子的漏抗較大，導致電動機的啟動速度變慢，因此本文在設計轉子時選用了半閉口矩形槽。

1.2.2 轉子磁路結構設計

從結構組成上看，高壓自起動永磁同步電動機的轉子上方為永磁體，因此不能像感應電機那樣使用轉子斜槽，只能設計成定子斜槽。轉子上的永磁體有2種布置形式，一種是表面式，由于占用額外的空間，制作工藝難度大，很少使用。另一種是內置式，將永磁體置于轉子導條與轉子鐵芯軸孔之間，節約了空間。但是內置式永磁體也存在弊端，例如容易導致轉子磁路不對稱，產生較大的磁阻轉矩，磁路結構發生漏磁的概率也會大幅度升高。為了避免此類問題，本文在高壓自起動永磁同步電動機的轉子設計中，對內置式轉子磁路結構進行了優化設計，將原來“一”字型排布的永磁體，更改為“V”型或“U”型，同時采取了加裝隔磁磁橋的保護措施（圖1），最大程度上杜絕結構漏磁現象的發生[2]。

1.3 轉子永磁體與轉子槽相對位置設計

如上文所述，在高壓自起動永磁同步電動機的轉子槽與永磁體之間加裝了一段隔磁磁橋。根據隔磁磁橋布置形式的不同，又可分為“一”字型、“V”字型等類型。這里以最為常見的“V”字型隔磁磁橋為例，在永磁體與轉子槽之間，以及相鄰的2個永磁體之間，都布置了隔磁磁橋。其中，電動機的抗漏磁性能可以用漏磁系數來表示，漏磁系數越大，材料在外加磁場下的磁感應強度變化較大，意味著磁性響應能力較好[3]。而隔磁磁橋寬度是決定電動機漏磁系數的核心因素，當轉子寬度一定時，隔磁磁橋寬度與漏磁系數的關系見表2。

由表2可知，當轉子槽寬為5 cm時，隔磁磁橋寬度越大，漏磁系數也會變大，兩者之間呈正相關。因此，在設計轉子永磁體與轉子槽相對位置時，可以適當增加兩者之間的距離，預留出更多空間，以便于增加隔磁磁橋寬度，使電動機具備更好的電磁性能。

2 高壓自起動永磁同步電動機實驗

2.1 實驗平臺的搭建

選取一臺6 kV-280 kW高壓自起動永磁同步電動機，并按照上文設計內容對定子、轉子、轉子永磁體與轉子槽相對位置等進行改造，驗證該設計方案下的電動機性能。定子繞組為“Y”接形式，采用IP411機殼表面冷卻方式，通過溫度傳感器實時獲取電動機各個部位的溫度，通過加速度計測量電動機的振動參數，通過扭矩傳感器獲取電動機所加負載值和轉速。采用通信電纜將傳感器采集到的數據輸入到監控系統中，測試人員可以實時掌握電動機的溫度變化和振動情況[4]。

2.2 工作特性測試

將樣機啟動運行1 min后，進入穩態運行階段并開始工作特性測試。選取了定子電流、效率與功率因數3項指標反映電動機在冷態和熱態時不同負載率下的指標變化。本次實驗環境溫度為22 ℃，首先讓電動機穩定運行1.0 h（熱態），測定此時電動機的定子電流、效率、功率因數；然后繼續讓電動機穩定運行2.0 h（冷態），以同樣方法測定3項指標。統計實驗測試數據并繪制變化曲線，這里以“效率-負載率”變化曲線為例，如圖2所示。

由圖2可知，高壓自起動永磁同步電動機無論是在冷態還是熱態下，隨著負載率從20%增加至100%，其效率都呈現出上升趨勢。橫向對比來看，在電動機的負載率20%～60%階段，效率變化較為明顯；當電動機負載率升高到60%以后，效率趨于穩定。其中，冷態下電動機滿載效率穩定在95%左右，此時對應的功率因數為0.983；熱態下電動機滿載效率穩定在98%左右，此時對應的功率因數為0.997。由此可見，高壓自起動永磁同步電動機在穩態時的設計性能較好。

2.3 溫升實驗

通過溫升實驗可以直觀地判斷高壓自起動永磁同步電動機在負載運行時繞組等關鍵部位的溫度變化情況，進而反映電動機的定子、轉子等部位設計是否合理。另外，電動機內永磁體的性能受到溫度的直接影響，因此溫升實驗結果也可作為永磁體改良設計的重要依據。本文選擇異步電機直接加載法進行高壓自起動永磁同步電動機的溫升實驗。使高壓自起動永磁同步電動機穩定運行60 min后，使用一個密封罩將風機出口塞住，并且不采取任何冷卻措施，使電動機在該狀態下持續運行90 min。然后拆除密封罩，讓風機恢復正常的散熱作用，直到溫升實驗結束[5]。收集溫度傳感器提供數據并整理成電動機定子繞組和軸承溫度變化曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，在電動機穩定運行的0～60 min內，繞組和軸承溫度雖然有所上升，但是幅度并不明顯。以繞組A為例，在60 min時溫度為36.1 ℃，相比于初始溫度25.7 ℃僅升高了10.4 ℃。在60～150 min的時間段內，由于風機封堵導致散熱不暢，繞組與軸承的溫度開始明顯升高。還是以繞組A為例，在150 min時溫度達到了55.7 ℃，相比于60 min時溫度升高了19.6 ℃。在150 min后重新采取了風機散熱措施后，繞組的溫度有所下降，并且在180 min后繞組和軸承的溫度都趨于穩定，此時電動機達到了熱平衡狀態。

2.4 振動的測量

振動雖然不能直接表示高壓自起動永磁同步電動機的性能，但是對于其運行效率和使用壽命有較大的影響，也是衡量電動機設計與應用效果的重要指標。使電動機在同步速度空載及負載狀態下開展了振動實驗，將傳感器分別置于電動機軸伸端的水平方向、垂直方向和軸向，主要測量速度、位移和加速度3項參數，實驗數據見表3。

由表3數據可知，電動機在空載運行時振動較小；在負載運行時振動有所增加，但是總體來看對電動機正常運行的影響不大，該電動機具有良好的設計性能。

3 結束語

基于高壓自起動永磁同步電動機的結構組成與運行環境，需要對定子沖片、定子繞組，以及轉子槽型、轉子磁路結構等方面展開優化設計。實驗表明，經過設計改良后，高壓自起動永磁同步電動機的運行穩定性得到了加強，在滿載情況下最高效率穩定在95%以上，達到了設計預期。

參考文獻：

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