大功率永磁同步電動機(jī)研究

劉 翌 ，魏 塬 ，廖 萍 ，徐武彬

（1.廣西佳力電工集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西工學(xué)院 a.機(jī)械工程系;b.學(xué)報編輯部，廣西 柳州 545006）

引言。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和工藝技術(shù)的進(jìn)步，對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了新的更高的要求。傳統(tǒng)的中小電動機(jī)多為異步電動機(jī)，其所消耗的電能占全國發(fā)電量50~60%，效率很低。由于異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩過載能力有限，為了滿足實際設(shè)備起動轉(zhuǎn)矩及過載能力，通常選用功率遠(yuǎn)大于設(shè)備功率的電機(jī)，此時的效率一般僅在60%~40%之間。

隨著極數(shù)的增加，異步電動機(jī)在一定程度上可以減少定子鐵芯軛部的高度并著縮短定子繞組端部長度，減少定子銅耗，但是其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時更低。船舶、車輛受體積限制，要求電動機(jī)高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度，異步電機(jī)亦遠(yuǎn)不能滿足[1-2]。本文介紹了一種新型無需勵磁電流、無刷恒壓輸出的大功率永磁同步電動機(jī)（Large Permanent Magnet Motor,LPMR），能在較大的負(fù)載變動范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕負(fù)載運(yùn)行時節(jié)能效果顯著，起動性能好，可滿足大的起動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和低速直接驅(qū)動的需求。

同時沒有激磁繞組，加上高性能釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高矯頑力，電極尺寸明顯縮小。與異步電動機(jī)相比永磁同步電動機(jī)更易于實現(xiàn)磁場定向矢量控制，調(diào)速及伺服特性很好，并能夠滿足機(jī)械加工的高速、超高速，精密和超精密、快速反應(yīng)能力等要求，可廣泛應(yīng)用于艦船推進(jìn)、機(jī)車牽引、重工業(yè)拖動、石油鉆探、礦山開采、造紙等動力行業(yè)。

1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 大功率永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

三相無刷永磁同步電動機(jī)由具有阻尼繞組與隱極轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)場式主發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)樞式勵磁機(jī)和勵磁裝置組成，電樞繞組為中性點有引出線或無引出線的星形接法，如圖1所示。根據(jù)整體的機(jī)械要求可以安排不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來滿足最完善的工程安裝，本文選擇裝有嵌入磁轉(zhuǎn)子的永磁同步電動機(jī)[3]。發(fā)電機(jī)繞組采用特殊的樹脂和真空浸漬絕緣處理工藝，具有高機(jī)械強(qiáng)度、高抗震性和極好的絕緣強(qiáng)度；發(fā)電機(jī)絕緣等級為F級。所采用的絕緣材料具有不吸潮、介電強(qiáng)度高等特性，能承受劇烈的溫度變化。具備緊湊的，組合的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，轉(zhuǎn)子內(nèi)置位置反饋傳感編碼器。機(jī)座采用鋼板結(jié)構(gòu)，外形美觀大方，設(shè)計調(diào)整靈活。發(fā)電機(jī)防護(hù)等級為IP54，可滿足用戶在各種環(huán)境下的使用要求，同時在發(fā)電機(jī)定子繞組中安裝溫度傳感器，可更好地保護(hù)發(fā)電機(jī)。在潮濕環(huán)境下，發(fā)電機(jī)加裝防冷凝加熱器，可以保證發(fā)電機(jī)絕緣不受破壞。軸承結(jié)構(gòu)為雙軸承，也可提供單軸承結(jié)構(gòu)。軸承為滾動軸承，具有振動小、噪音低等特點

圖2 不同的感應(yīng)電動機(jī)

發(fā)電機(jī)勵磁采用德國西門子1FC6系列發(fā)電機(jī)相復(fù)勵分流勵磁原理[4]，配備THYRIPART勵磁系統(tǒng)，由于具有可控硅電壓調(diào)節(jié)器、負(fù)載決定勵磁的相復(fù)勵磁系統(tǒng)[5]，動態(tài)特性優(yōu)越，如圖2所示。相復(fù)勵分流勵磁調(diào)壓方式保證發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)精度，而且即使發(fā)電機(jī)在自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）出現(xiàn)故障時，發(fā)電機(jī)電壓維持在1.15倍額定電壓，發(fā)電機(jī)仍能進(jìn)行工作，同時保證用電設(shè)備的安全。發(fā)電機(jī)定子繞組裝有鉑熱電阻傳感器（pt100），與KLB智能型溫度控制儀同時使用可直接顯示發(fā)電機(jī)定子繞組的實際工作溫度，提供報警型號，保護(hù)發(fā)電機(jī)[6]。

發(fā)電機(jī)勵磁裝置由1個三相整流變壓器帶3個單相電流互感器組成。由T1、T2、T3產(chǎn)生負(fù)載勵磁電流分量，在T6次級同空載勵磁電流分量進(jìn)行矢量迭加。由L1C同T6初級繞組共同產(chǎn)生空載分量并在T6次級繞組感應(yīng)出空載勵磁電流分量。勵磁系統(tǒng)將主機(jī)輸出的部分三相交流電整流為直流電,再通到勵磁機(jī)定子線圈中進(jìn)行勵磁機(jī)勵磁。電動機(jī)的體積、材料成本、空間和重量與電機(jī)正常的軸速是成反比的。將變速箱被安裝到電動機(jī)中或電動機(jī)被安裝到變速箱中，可以減小在理想系統(tǒng)軸速下的系統(tǒng)的體積，由此控制轉(zhuǎn)力矩和轉(zhuǎn)速，變速箱速率和電機(jī)軸速的搭配使功率-轉(zhuǎn)力矩與空間-成本的關(guān)系更合理。

3 特性分析

3.1 能量損耗。電動機(jī)內(nèi)部因為在轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)或機(jī)械機(jī)構(gòu)中有永磁而達(dá)到它們的磁場，并設(shè)定了新的轉(zhuǎn)力矩使用和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁體封閉在內(nèi)部的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、高質(zhì)量繞組、先進(jìn)絕緣工藝以及電機(jī)內(nèi)部沒有線接頭使得電機(jī)的具有較高的可靠性及逆變器的兼容性。轉(zhuǎn)子薄板是無孔的,形成了磁性的屏障以增加單向磁通量流通途徑，如圖3所示。

圖3 無框架的電動機(jī)

在轉(zhuǎn)子中嵌入永磁使其免受機(jī)械應(yīng)力,磁致應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力。每個永磁部分都是電防腐的,每個磁極都是涂有保護(hù)層的，特殊而簡潔的轉(zhuǎn)子設(shè)計使電動機(jī)更堅穩(wěn)和高效。由于在轉(zhuǎn)子繞組中沒有電流，且銅的熱損耗很低，在合理的電機(jī)設(shè)計范圍內(nèi)，更多的電功率被用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于電動機(jī)內(nèi)部不會發(fā)熱，同時聚集在電動機(jī)外表面的熱能損耗使電動機(jī)很容易冷卻下來。繞組端部能夠附加強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，而永磁電機(jī)僅對定子進(jìn)行水冷。

3.2 加速和制動

圖4 電動機(jī)加速與制動

為了分析電動機(jī)加速與制動時對轉(zhuǎn)矩，電流，輸出電壓，轉(zhuǎn)速等性能的影響[7]，本文采用時步有限元法對無制動回路情況進(jìn)行了分析[8-9]。從如圖5相應(yīng)曲線可看出，在加速后的95.4～95.8s處，對電動機(jī)的影響較為明顯。發(fā)電機(jī)裝有壓降補(bǔ)償裝置，可方便與具有相同壓降的其它發(fā)電機(jī)或電源系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行。特定的設(shè)計使LPMR電動機(jī)非常高效而且容易冷卻，獲得可以在低運(yùn)行溫度時的高力矩效果并且結(jié)構(gòu)緊湊。有效的冷卻系統(tǒng)和較低損耗減小了LPMR電動機(jī)的外形尺寸。

3.3 過流能力

圖5 電動機(jī)過流

節(jié)能和免維護(hù)的LPMR加入同步磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，提供了高功率密度（kW/cm3）并擴(kuò)大了恒定功率速度范圍。高的過電流能力和低轉(zhuǎn)動慣量，使電機(jī)具有很高的動態(tài)性能[10]，如圖5所示。LPMR電動機(jī)能夠通過一個三相或者三個三相逆變器供電，兼顧了低功率驅(qū)動和高功率驅(qū)動的能力，同時具有非常高的效率和低脈動轉(zhuǎn)矩，僅有定子損耗，使冷卻系統(tǒng)最小化。堅固的轉(zhuǎn)子保證電機(jī)可靠的高速運(yùn)行，每一塊永磁體有機(jī)械和化學(xué)防護(hù)，延伸了電機(jī)恒功率調(diào)速范圍。

結(jié)論。介紹一種新型LPMR大功率永磁同步電動機(jī)，采用嵌入式帶磁阻支持的徑向高性能磁鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)相復(fù)勵分流勵磁原理，配以THYRIPART勵磁系統(tǒng)，磁阻轉(zhuǎn)矩特性好，能在較大的負(fù)載變動范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)。并裝有壓降補(bǔ)償裝置與鉑熱電阻傳感器，能很好的保護(hù)用電設(shè)備，同時運(yùn)行平穩(wěn)，重量輕，體積小，現(xiàn)場使用方便，可廣泛應(yīng)用于工程實際中。

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