重型永磁同步電機效率影響因素分析

姜 浩 王 雪 張 俊 萬宗偉

（大連交通大學，大連 116021）

重型永磁同步電機效率影響因素分析

姜 浩 王 雪 張 俊 萬宗偉

（大連交通大學，大連 116021）

本文針對影響重型永磁同步電機效率的各項參數(shù)進行分析，通過各個參數(shù)改變模式和改變量進行比較，進而對各個參數(shù)對電機效率的影響方式和改善措施進行敘述。

重型永磁同步電機 影響參數(shù) 作用模式

伴隨著我國工業(yè)基礎(chǔ)的不斷夯實，工業(yè)生產(chǎn)能力的增長和涵蓋范圍的不斷擴展，我國傳統(tǒng)乃至現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)原本采用的異步電動機及其機械調(diào)速機構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)復雜、傳動作用力過大、效率低下、環(huán)境污染嚴重等原因，已經(jīng)逐漸不能夠滿足工業(yè)產(chǎn)業(yè)對動力機的要求，也不再符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略基本國策?；谥T多要求，永磁同步電機已經(jīng)開始逐步占據(jù)動力機的主導地位，將成為該技術(shù)領(lǐng)域的主流發(fā)展方向。由于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的大型化、系統(tǒng)化、自動化等發(fā)展趨勢，對大功率動力機的要求也日益迫切。

而重型永磁同步電機正是實現(xiàn)起重機直驅(qū)的關(guān)鍵技術(shù)之一。低速大扭矩永磁同步電機的轉(zhuǎn)速低于500r/min，轉(zhuǎn)矩大于500N*M，在起重、機床、礦山、冶金、油田、電力、化工、電梯等各工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景［1］。

1 效率影響參數(shù)及其改善方式

要分析影響低速大扭矩永磁同步電機效率的各項參數(shù)，首先需要明確其在運行中的特點。

（1）由于電機運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較低，直接導致其空載狀況下線圈內(nèi)部的自感反電動勢很低，從而使電樞電流較大，電機發(fā)熱損耗較為嚴重。

（2）由于永磁電機定子、轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成且轉(zhuǎn)速低，使其由于內(nèi)部渦流而產(chǎn)生渦流損耗即鐵損。同時，由于運行過程中摩擦和風阻產(chǎn)生的機械損耗相對于電機銅損較小，所以永磁電機的損耗很大程度上主要取決于電機的銅損。

（3）永磁電機內(nèi)部產(chǎn)生感生電動勢的方式為切割永磁體形成的磁場，所以永磁體的性質(zhì)結(jié)構(gòu)也會對電機效率產(chǎn)生重要影響。綜上，將影響電機效率的因素歸納為電機槽型及尺寸、定子電樞繞組、永磁體材料及尺寸、電機氣隙長度及轉(zhuǎn)矩角等。

2 電機槽形及尺寸

為降低線圈的電樞電流減小損耗，通常會在合理有效的范圍內(nèi)增加電樞繞組，這要求定子槽有足夠的有效面積。梨形槽具備槽面積利用率高、槽絕緣彎曲程度小、不易損傷等優(yōu)點，故采用梨形槽可有效降低槽滿率，提升電機的工藝性。

在不影響硬性條件規(guī)定的情況下，梨形槽的尺寸設(shè)計可遵從下述方式選定：

（1）槽口寬b02

b02=0.2～0.3cm，在保證下線和工藝性的條件下，選擇較小的b02值。

（2）槽口高h02

h02=0.08～0.20cm，h02主要考慮強度、壽命等，不能過小。

（3）齒寬bt2

式中，t2為電樞齒距；KFs為沖片疊壓系數(shù)，通常取KFs=0.92～0.95bt2=1.2～1.8T。為使齒強度滿足要求，通常bt2≥0.1cm。

（4）軛高hj2

其中，Bj2取1.2~1.6T。

（5）電樞沖片內(nèi)徑Dt2

Dt2與軸伸端轉(zhuǎn)軸外徑匹配；軸伸端外徑按標準尺寸確定。（6）槽上半部半徑r12。根據(jù)幾何關(guān)系，得：

（7）槽下半部分圓心心距h22：

另外，對于有特殊要求的槽形設(shè)計，可根據(jù)實際情況進行調(diào)整［2］。

3 定子電樞繞組

由于低速大扭矩永磁電機自身的運轉(zhuǎn)特性，其轉(zhuǎn)速較低，定子電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生的感生反電勢較小。電樞電流將增大，引起繞組發(fā)熱嚴重增大銅損，故通常會增大繞組匝數(shù)來減小損耗。但是，繞組匝數(shù)過高會使電阻增大，同樣導致?lián)p耗增加。所以，合理選擇電樞繞組匝數(shù)、線規(guī)，對于提高電機的效率和運轉(zhuǎn)性能有著重要影響。

定子電樞繞組數(shù)的確定原則可參考：

式中，τ1為定子極距，A為根據(jù)具體要求預先選取的電負荷，IN為額定電流，Kdp為繞組的分布系數(shù)，得出N值后，根據(jù)預先確定的并聯(lián)支路數(shù)，電機的每槽導體數(shù)量為：

式中，m為電機相數(shù)，Z為定子槽數(shù)。

得出電機每槽導體數(shù)后，根據(jù)要求的電機槽滿率取適當?shù)膶Ь€線徑及導線絕緣層厚度等。需要考慮的是，電樞繞組線徑的大小影響電樞電流及繞組電阻的大小。在滿足電機參數(shù)要求的情況下，合理選擇較大的線徑能夠降低電樞電阻減小發(fā)熱損耗，提升電機效率。同時，永磁電機的槽滿率一般不應(yīng)超過75%［3］。

4 永磁體材料及尺寸

考慮到電機的工藝及性能要求，永磁體的選擇應(yīng)本著節(jié)約成本、性能優(yōu)良等條件。因此，建議選用燒結(jié)型釹鐵硼永磁體材料［4］。

永磁體尺寸選定，主要包括永磁體磁化方向長度hM、寬度bM、軸向長度lM。上述各項參數(shù)將決定永磁體的磁路面積，即直接影響永磁體工作性質(zhì)的基本參數(shù)。合理選擇上述參數(shù)，可以有效提升電機的性能及工作效率［5］。

本次實例選用的勵磁方式為永磁體徑向磁化，對于徑向磁化永磁同步電機，有：

式中，F(xiàn)δ為一個極的氣隙磁勢降；HM為永磁體所處工作點磁場強度；Ks為永磁體磁路飽和系數(shù)；Bδef為氣隙磁感應(yīng)強度的有效值，其大小Bδef=α1KBBδ（α1為計算極弧系數(shù)，下文給出解釋，氣隙磁感應(yīng)強度的極值及磁場波形系數(shù)）；μ0為真空磁導率；Kf為永磁體產(chǎn)生的磁場感應(yīng)強度基波值比最大值；δef為氣隙長度。

式中，BM為永磁體穩(wěn)態(tài)下磁感應(yīng)強度；δ為漏磁系數(shù)；τ為極距。

綜合式（7）和式（8），可以得出永磁體的磁路面積：

上述為對永磁體工作性能影響最大的參數(shù)磁路截面積的理論計算過程及對于永磁體最佳Sf值的取定。

對于永磁體的磁化方向，在電機磁路未飽和的情況下，增大永磁體磁化方向長度可以提升電機效率。但需要注意，對于hM設(shè)計，應(yīng)使永磁體處于最佳工作點，因為永磁電機中永磁體的最佳工作點通常取決于磁化長度hM。因此，永磁體磁化方向長度必須根據(jù)要求的電機參數(shù)合理確定設(shè)計。

對于永磁體的寬度和軸向長度確定，選取表面凸出式永磁體安裝結(jié)構(gòu)進行說明。永磁體寬度主要取決于極弧系數(shù)。隨著極弧系數(shù)的增大，電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子間的氣隙磁密增加，磁路面積增大磁阻減小，電機定子槽齒磁密、軛部磁密上升，使電樞繞組反感電勢增加，降低電樞電流，從而減小銅損，電機效率上升。但是，永磁體用量也會隨著極弧系數(shù)的上升而急劇加大，使得電機的整體造價提高且性價比不高。在永磁體用量增加21%的情況下，電機的效率僅有約0.6%的提升[6]。因此，通常情況下，永磁體的極弧系數(shù)一般選定在0.7～0.85之間。一般情況下，表面凸出式結(jié)構(gòu)永磁同步電機永磁體軸向長度和電機定子鐵芯的軸向長度等長。

5 電機氣隙長度及轉(zhuǎn)矩角

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機的氣隙長度對電機效率的影響方式，主要是由于氣隙磁密會隨著氣隙長度的調(diào)整改變顯著。在不使磁路磁密飽和的前提下，適當減小氣隙大小，一定程度上可增大氣隙磁密，使電樞反感電動勢上升，降低電流，提升電機效率。在電機磁路磁密未飽和的情況下，電機效率會隨著氣隙的減小而提升。但是，氣隙過小的情況下，會使電機的安裝極為困難，降低其工藝性。因此，綜合考慮下，通常低速大轉(zhuǎn)矩電機的氣隙長度不應(yīng)小于2mm。

對于低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩角通常取值為15°～40°之間。此時，電機的各項參數(shù)都比較符合設(shè)計要求。

6 結(jié)論

低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機工作特性決定了其性能和效率的影響參數(shù)更為復雜多變，但歸納起來，最根本的原因是由于其電樞電流較大而引起的繞組發(fā)熱所產(chǎn)生的銅損較大。因此，上述影響參數(shù)提升效率的途徑分別為：

（1）提升槽有效面積，調(diào)整槽尺寸，降低齒磁密及磁軛密度，使反感電勢增大，以降低電樞電流；

（2）增加電樞繞組數(shù)，增加切割磁感線的導線數(shù)目，增大感應(yīng)電勢，減小電流；增大導線線徑降低電阻，減小發(fā)熱損耗降低銅損；

（3）調(diào)整永磁體的尺寸參數(shù)改變電機定、轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場密度，調(diào)整反感電勢大小改變電樞電流提升效率；

（4）改變永磁電機的氣隙長度，在不使磁路飽和的情況下增大氣隙磁密，提升電樞電流，減小損耗。

綜上所述，提升電機效率的基本方法是增大電樞反感電勢，降低電樞電流，降低發(fā)熱損耗即電機銅損。

[1]王帥.抽油機直驅(qū)用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機及其控制系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2010.

[2]李革，唐任遠.稀土永磁電機磁路設(shè)計與計算[J].微特電機，1980，（4）：1-7.

[3]陳俊峰.永磁電機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[4]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[5]GU QISHAN，GAO HONGZHAN.Effect of Slotting in PM Electric Machines[J].Electric Machines and Power Systems，1985，（10）：273-284.

[6]張炳義，馮桂宏，王風翔，等.SPWM電源供電下低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機設(shè)計研究[J].電工技術(shù)學報，2001，16（6）：85-90.

Analysis on the Influence Factors of the Efficiency of Heavy Duty Permanent Magnet Synchronous Motor

JIANG Hao, WANG Xue, ZHANG Jun, WAN Zongwei
(Dalian JiaoTong University, Dalian 116021)

Analysis of the parameters according to the influence of severe efficiency of permanent magnet synchronous motor, through various parameters change mode and change are compared, and then for each parameter for measures to influence and improve the efficiency of the motor are described.

heavy duty permanent magnet synchronous motor, influence parameters, mode of action