基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

阮天虎，夏永明，潘海鵬

(浙江理工大學(xué)，浙江杭州310018)

0 引 言

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、維護(hù)少、可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?0%［1］。但是，小功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率較低，功率因數(shù)不高，造成大量電能浪費(fèi)，因此對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造顯得尤為重要。與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率和功率因數(shù)高等特點(diǎn)［2－3］。與電磁式同步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)相比，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)具有自身的優(yōu)點(diǎn)。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)不僅繼承了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)(能夠直接加壓起動(dòng))，而且同時(shí)具有永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。與普通異步電機(jī)相比，效率可高出同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)2% ～8%，因此具有廣泛的應(yīng)用前景［4－5］。

由于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)異的性能，近年來越來越多的學(xué)者投入到這種電機(jī)的研究和設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)［6］研究了三種不同結(jié)構(gòu)的油田抽油用異步電機(jī)，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行比較。指出并聯(lián)式磁路結(jié)果的永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，具有較小的齒槽轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種高效的內(nèi)置式異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)并采用時(shí)步有限元方法分析了電機(jī)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。文獻(xiàn)［8］對(duì)Y90S－4型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，采用串聯(lián)式的磁路結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雖然較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)有一定的提高，但是整體效率偏低。

本文對(duì)現(xiàn)有的2.2 kW三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)Y100L－4進(jìn)行改進(jìn)。采用原有定子沖片，重新設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子。并采用有限元分析軟件Ansoft對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行分析和仿真。仿真結(jié)果表明，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率和功率因數(shù)高、起動(dòng)性能好的特點(diǎn)，節(jié)能效果明顯，有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計(jì)

參考感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原則，轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)子槽尺寸和轉(zhuǎn)子槽數(shù)選擇。轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)子槽尺寸的設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子槽數(shù)目的選擇等。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子起動(dòng)鼠籠只在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起作用［8－10］，同步穩(wěn)定運(yùn)行后，鼠籠條不切割磁場，不會(huì)產(chǎn)生附加損耗，因此起動(dòng)鼠籠是獲得良好起動(dòng)性能關(guān)鍵部分。

為適應(yīng)不同場合，轉(zhuǎn)子電阻設(shè)計(jì)需要折衷考慮。由于所要設(shè)計(jì)的異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)容量較小，為減小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的漏磁系數(shù)，選用形狀簡單隔磁效果較好的半閉口梯形槽;另一方面，為使電動(dòng)機(jī)具有較好的同步牽入能力，合成的轉(zhuǎn)矩－速度特性曲線需要有一定的陡度，所以設(shè)計(jì)時(shí)要盡量減小轉(zhuǎn)子電阻，且轉(zhuǎn)子槽不宜開得過淺過窄［11］。

定轉(zhuǎn)子槽配合遵循以下原則［12］:

(1)考慮轉(zhuǎn)子磁路的對(duì)稱性，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q2為基數(shù)的整數(shù)倍;

(2)為避免起動(dòng)過程產(chǎn)生較強(qiáng)的異步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使 Q2≤1.25(Q1+p);

(3)為避免產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使Q2≠Q(mào)1，Q2≠Q(mào)1±p，Q2≠Q(mào)1±2p;

(4)為避免單向振動(dòng)力，應(yīng)使Q2≠Q(mào)1±1，Q2≠Q(mào)1±1±p。

其中Q1為定子槽數(shù)，Q2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)?？紤]材料的用量，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，選擇Q2=24。定轉(zhuǎn)子槽配合為36/24，電機(jī)模型如圖1所示。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 永磁體設(shè)計(jì)

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，有三種結(jié)構(gòu)形式:并聯(lián)式、串聯(lián)式和串并混聯(lián)式。在三種結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)式磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)突出:結(jié)構(gòu)簡單，相鄰兩極的永磁體提供每極磁通，每極永磁體參數(shù)的磁動(dòng)勢用于提供外磁路上一對(duì)極的磁壓降。因此本文采用內(nèi)置式的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，在材料上采用性能較好的釹鐵硼NdFeB35，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2 有限元仿真

采用準(zhǔn)二維有限元模型建立了電機(jī)的1/4模型。采用有限元法求解之前，用三角形單元對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖進(jìn)行了剖分，其中氣隙部分剖分較密，模型的剖分如圖2所示。

2.1 電機(jī)的暫態(tài)分析

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩不僅包括平均轉(zhuǎn)矩，還包括脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為便于分析，在起動(dòng)過程的某一瞬態(tài)，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)該瞬間在異步轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要有兩部分組成，一是由鼠籠繞組產(chǎn)生的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩，二是由永磁體產(chǎn)生的發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示。由于發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)減小電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此希望起動(dòng)時(shí)減小發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少永磁體的用量，但是這又會(huì)影響電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，即電機(jī)的功率因數(shù)和效率，因此設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮。

圖2 電機(jī)的二維剖分

圖3 自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線

由于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要低于異步電機(jī)。本文采用2D時(shí)步有限元方法對(duì)電機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行分析。電機(jī)定子繞組中通入幅值380 V、頻率50 Hz的三相平衡電壓。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載情況下的起動(dòng)曲線如圖4所示。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載情況下的起動(dòng)曲線如圖5所示。

圖4 自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的速度曲線

圖5 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線

由圖4可看出，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能良好，空載時(shí)0.1 s左右即可進(jìn)入同步，在額定負(fù)載情況下0.28 s即可進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速，在2倍額定負(fù)載下0.42 s可以進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速超調(diào)小。而電機(jī)在2.2倍額定負(fù)載下會(huì)失步，轉(zhuǎn)速會(huì)劇烈震蕩，電機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行。

由圖5可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)曲線有一定的超調(diào)，轉(zhuǎn)速在空載和額定負(fù)載下能很快穩(wěn)定，整體起動(dòng)時(shí)間較短，電機(jī)在2倍額定轉(zhuǎn)矩下，能夠旋轉(zhuǎn)，但是轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在2.6倍負(fù)載情況下電機(jī)無法正常運(yùn)行。

2.2 電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析主要包括穩(wěn)態(tài)電流、效率和功率因數(shù)等，這些參數(shù)的計(jì)算可以忽略電機(jī)的起動(dòng)過程而直接將電機(jī)的運(yùn)行速度設(shè)置為1 500 r/min。這樣可以大大節(jié)省有限元的計(jì)算時(shí)間。圖6是異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的在空載和額定負(fù)載的電流相電流曲線。由圖6可見，電機(jī)在額定負(fù)載的情況下電流幅值較大，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流差別不大。

圖6 自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)相電流

由于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體提供勵(lì)磁，功率因數(shù)、效率與永磁體的性能和體積有直接的關(guān)系。一般來說，增大永磁體的用量可以提供電機(jī)的功率因數(shù)和效率，但這樣會(huì)增大永磁體產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，甚至無法進(jìn)入同步。

為準(zhǔn)確分析異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)中永磁體對(duì)電機(jī)性能的影響，采用有限元分析對(duì)電機(jī)的永磁體的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。圖7分析了永磁體寬度對(duì)電機(jī)效率和功率因數(shù)的影響。由圖7可見，電機(jī)的效率隨永磁體寬度增加而增加。當(dāng)永磁體寬度為16 mm時(shí)效率相比于15 mm時(shí)會(huì)有很大的提高。以后效率提高的幅度會(huì)減小。而永磁體寬度對(duì)電機(jī)的功率因素影響較小，但是電機(jī)的功率因數(shù)也有隨永磁體寬度增大而增大的趨勢。圖8顯示了電機(jī)的功率因數(shù)和效率隨永磁體厚度的變化的曲線。由圖8可知，永磁體厚度對(duì)電機(jī)的功率因數(shù)有較大的影響，提高永磁體厚度可以顯著地提高電機(jī)的功率因數(shù)。永磁體厚度的增加會(huì)使電機(jī)的效率有略微的增加。但是這種增加與永磁體的寬度對(duì)效率的影響相比顯得很小。永磁體體積的增加也會(huì)提高電機(jī)的反電動(dòng)勢，使反電動(dòng)勢與輸入電壓的比值接近于1，提高電機(jī)的功率因數(shù)。電機(jī)的電流也隨之減小，使得電機(jī)損耗減小。

圖7 永磁體寬度對(duì)效率和功率因數(shù)的影響

圖8 永磁體厚度對(duì)效率和功率因數(shù)的影響

永磁體寬度和厚度的增加會(huì)大大影響電機(jī)的起動(dòng)性能，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著永磁體寬度和厚度而增加。圖9和圖10分析了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨永磁體寬度的增加而變化的情況。電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著永磁體寬度和厚度的增加而減小。

圖9 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨永磁體厚度變化曲線

圖10 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨永磁體寬度變化曲線

2.3 電機(jī)性能比較

與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較高，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低。表2分析了Y100L感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和基于其改進(jìn)的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能比較。由表2可以看出異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩減小約1 N·m，但是功率因數(shù)提高了11%，效率提高了10.63%。電機(jī)的性能得到很大的提高，在節(jié)能降耗的要求越來越嚴(yán)格的今天，有現(xiàn)實(shí)意義。

表2 電機(jī)性能對(duì)比

3 結(jié) 語

本文在對(duì)已有的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將其改造為節(jié)能的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。在采用異步電機(jī)的機(jī)座、定子沖片和繞組的基礎(chǔ)上，僅對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文采用了2D時(shí)步有限元分析方法對(duì)電機(jī)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了分析和仿真。得出以下結(jié)論:

(1)改造得到的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)同原感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，功率因數(shù)和效率提高。

(2)永磁體寬度和厚度對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響，增大永磁體的用量可以改善電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，提高電機(jī)的功率因數(shù)和效率，但也會(huì)增大電機(jī)起動(dòng)時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。

本文的研究對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改進(jìn)為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)電機(jī)的節(jié)能改造具有較高的參考價(jià)值。

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