永磁自起動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與起動(dòng)性能相關(guān)性分析

陳景易，陳文彪，夏德媛

(1．哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150040;2．大慶供電電器設(shè)備有限公司，黑龍江 大慶163454)

0 引言

近年來(lái)，自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)以高效率、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，尤其在高能耗行業(yè)使用越來(lái)越受到重視，因此，現(xiàn)階段對(duì)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入研究勢(shì)在必行。本文以6 kV、315 kW高壓永磁自起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)為例，分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程、牽入同步過(guò)程、以及牽入同步轉(zhuǎn)速后的過(guò)載能力狀況。詳細(xì)研究了起動(dòng)籠條的結(jié)構(gòu)、材料、籠型以及轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體排列方式的變化等因素對(duì)起動(dòng)性能帶來(lái)的影響。

1 求解模型及定解條件

1.1 求解數(shù)學(xué)模型

采用場(chǎng)路耦合的有限元法研究自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)起動(dòng)性能，這種方法考慮了磁路飽和與渦流的影響，計(jì)算結(jié)果較為精確［1－3］。將自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)模型做二維近似處理，忽略位移電流，因此自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的瞬態(tài)邊值問(wèn)題可用麥克斯韋方程表述:

式中，A為矢量磁位，Ω為求解區(qū)域，Γ1為定子外圓和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓邊界，Γ2為永磁體邊界圓，Js為永磁體等效電流密度，μ為磁導(dǎo)率，JZ為勵(lì)磁電流密度，σ為材料電阻系數(shù)［4－5］。

1.2 求解的物理模型

永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的磁通由永磁體提供，根據(jù)6 kV、315 kW樣機(jī)的具體需求，永磁體的排列方式選用內(nèi)置切向結(jié)構(gòu)。12塊永磁體在轉(zhuǎn)子上沿圓周均勻分布，組成6個(gè)極;在永磁體靠近氣隙的位置安裝不導(dǎo)磁槽楔，用來(lái)防止運(yùn)行過(guò)程中永磁體的甩落;同時(shí)在永磁體與轉(zhuǎn)軸之間安裝了隔磁套環(huán)，可以起到減小漏磁的作用。自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的二維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 高壓永磁自起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型

1.3 定解條件

由于永磁體的存在，導(dǎo)致自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化，因此為了便于分析，將起動(dòng)過(guò)程中的某一瞬態(tài)，認(rèn)為是電動(dòng)機(jī)處于異步轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2 影響起動(dòng)性能因素分析

根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線可以大致判斷出電動(dòng)機(jī)牽入能力的優(yōu)劣，如圖2所示。在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，如果曲線能夠保持一定的陡度，則說(shuō)明永磁電動(dòng)機(jī)具有較高的牽入同步能力，否則說(shuō)明永磁電動(dòng)機(jī)的牽入同步能力不足。

圖2 自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)牽入同步能力曲線

起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)牽入能力也有一定的影響，其中永磁體對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響非常特殊。使用剩磁密度和磁能積較高的永磁體能產(chǎn)生較高的反電動(dòng)勢(shì)，而反電動(dòng)勢(shì)的增加將會(huì)影響永磁電動(dòng)機(jī)牽入同步能力，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大，有利于提高牽入同步能力;另一方面是引起永磁體的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，使得平均轉(zhuǎn)矩降低，造成牽入同步開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)差率增大，導(dǎo)致?tīng)咳肽芰ο陆怠Ｒ虼嗽O(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到永磁體對(duì)牽入同步能力影響的兩面性，一味選取磁能積高的永磁體并不一定能提高電動(dòng)機(jī)性能［6－8］。

起動(dòng)籠條對(duì)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)牽入性能的影響也很重要。起動(dòng)籠條的改變會(huì)引起轉(zhuǎn)子電阻值的變化，轉(zhuǎn)子電阻越小，在接近同步速時(shí)，牽入轉(zhuǎn)矩就越大，從自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的牽入能力來(lái)考慮，較小的轉(zhuǎn)子電阻能夠獲得較好的牽入性能。但是，自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速自行起動(dòng)時(shí)，需要足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)克服同步制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，而適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子電阻，可以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而轉(zhuǎn)子電阻不允許太?。?］。這個(gè)矛盾問(wèn)題的存在，使得在選取轉(zhuǎn)子起動(dòng)籠條時(shí)要慎重考慮，研究表明采用雙籠或者復(fù)合籠結(jié)構(gòu)可以取得優(yōu)良的效果。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 起動(dòng)性能分析

采用瞬態(tài)場(chǎng)對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)進(jìn)行分析，起動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 磁場(chǎng)分布圖

由圖3可以看出:在0.2 s時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)狀態(tài)，由于集膚效應(yīng)的作用，磁力線明顯集中在轉(zhuǎn)子表層;當(dāng)1.0 s時(shí)，電動(dòng)機(jī)已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，集膚效應(yīng)消失，磁力線分布呈現(xiàn)出極好的對(duì)稱性，并且均勻的分布在轉(zhuǎn)子內(nèi)。

為方便計(jì)算，本文先將起動(dòng)籠條數(shù)增加到12根，然后，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行數(shù)值仿真，其結(jié)果如圖4所示，由圖可以看出，轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率較高。

3.2 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的起動(dòng)性能分析

為了深入分析采用Halbach陣列永磁體的新型結(jié)構(gòu)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，本文分別對(duì)采用切向永磁體、混合式永磁體、以及Halbach陣列永磁體的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 疊片式轉(zhuǎn)子12根籠條起動(dòng)特性曲線

圖5為不同充磁方向的磁力線分布圖。從圖5中發(fā)現(xiàn)，Halbach陣列結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)磁力線最為集中，而且轉(zhuǎn)子隔磁套環(huán)處沒(méi)有磁力線通過(guò)，可見(jiàn)將Halbach陣列結(jié)構(gòu)運(yùn)用在自起動(dòng)高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)中可以起到集中磁密的作用，而且能夠降低高壓永磁電動(dòng)機(jī)的體積和重量，這對(duì)提高電動(dòng)機(jī)的功率密度極為有利。而對(duì)于切向永磁體和混合式永磁體的電動(dòng)機(jī)，在不考慮成本和工藝的情況下，混合式永磁體的氣隙磁通分布要優(yōu)于切向永磁體，漏磁更少而且磁力線分布更加緊密。

圖5 不同充磁方向永磁體磁場(chǎng)圖

圖6為氣隙處磁密和各次諧波磁密的分布圖。對(duì)比3幅波形圖，Halbach陣列與混合式永磁體結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形的正弦性明顯優(yōu)于切向式永磁體結(jié)構(gòu)。對(duì)于混合式永磁體結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，其氣隙磁密在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了正負(fù)波形不對(duì)稱的現(xiàn)象，在正半周期內(nèi)，波形具有較好的正弦性，但是在負(fù)半周期內(nèi)，波形出現(xiàn)了“內(nèi)凹”現(xiàn)象，這是由于切、徑向永磁體相互作用的結(jié)果。從諧波圖形來(lái)看，采用Halbach陣列后，電動(dòng)機(jī)的諧波大大減少，三次諧波的幅值幾乎為零，五次諧波的幅值也明顯低于切向永磁體和混合式永磁體結(jié)構(gòu);混合式永磁體與切向式永磁體的三次諧波幅值相差無(wú)幾，但前者的五次諧波幅值高于后者。

圖6 不同充磁方向永磁體的氣隙磁密波形圖

圖7給出了Halbach陣列自起動(dòng)高壓永磁電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化關(guān)系，從圖7中曲線可以看出，與使用切向式永磁體的原結(jié)構(gòu)高壓永磁電動(dòng)機(jī)相比，采用Halbach陣列永磁體結(jié)構(gòu)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能更加優(yōu)良，從零轉(zhuǎn)速加速到牽入同步速僅需0.5 s，時(shí)間上縮短了0.1 s。而且在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速曲線爬升的陡度更大，從起動(dòng)到牽入的過(guò)渡過(guò)程更為平穩(wěn)，可見(jiàn)改進(jìn)后的電動(dòng)機(jī)具有更好的起動(dòng)能力和牽入能力。

圖7 Halbach陣列自起動(dòng)高壓永磁電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速圖

4 結(jié)論

通過(guò)建立二維電磁場(chǎng)求解模型，對(duì)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下起動(dòng)性能進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論。

1)將Halbach陣列永磁體新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用在自起動(dòng)高壓永磁電動(dòng)機(jī)中合理可行的;

2)采用Halbach陣列永磁體結(jié)構(gòu)具有集中磁密的作用，而且能夠降低高壓永磁電動(dòng)機(jī)的體積和重量，提高電動(dòng)機(jī)的功率密度;

3)與切向永磁體以及混合式永磁體相比，采用Halbach陣列永磁體結(jié)構(gòu)能夠明顯改善氣隙處的磁密波形，有效抑制諧波;

4)采用Halbach陣列永磁體新型結(jié)構(gòu)時(shí)，自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)從零轉(zhuǎn)速加速到牽入同步速僅需0.5 s，時(shí)間上縮短了0.1 s，表現(xiàn)出優(yōu)良的起動(dòng)性能和牽入能力。

［1］邱捷，勵(lì)慶孚．實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子參數(shù)及起動(dòng)特性的計(jì)算［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19(6):6 －10．

［2］曾林鎖，趙建軍，閻秀?。畬?shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的研究［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32(z1):52 －54．

［3］賈宏新，符榮，竇滿鋒．自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行鼠籠電流分析［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(4):13 －16，67．

［4］趙猛，鄒繼斌，胡建輝，等．異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(7):145 －149．

［5］王秀和，丁婷婷，楊玉波，等．自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(18):167 －170．

［6］PERALT A，SANCHEZ E，SMITH A C．Line－start permanent－ magnet machines using a canned rotor［J］．IEEE Trans．Industry Applications，2009，45(3):903 －910．

［7］KNIGHT A M，MCCLAY C I．The design of high－efficiency line－ start motors［J］．Industry Applications，IEEE Transactions on，2000，36(6):1555－1562．

［8］WON－HO K，KI－CHAN K，SEUNG－JOO K，et al．A study on the optimal rotor design of lspm considering the starting torque and efficiency［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2009，45(3):1808－1811．

［9］曲鳳波，李志鵬，李偉力．高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不同結(jié)構(gòu)的起動(dòng)性能分析［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(9):93 －99．