基于交流調(diào)速永磁同步電機(jī)技術(shù)對(duì)潛水泵的節(jié)能改造

姜遠(yuǎn)遠(yuǎn)，閆強(qiáng)波，鄭建平

（ 1.日照東方電機(jī)有限公司，山東 日照 276800；2.博能傳動(dòng)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

基于交流調(diào)速永磁同步電機(jī)技術(shù)對(duì)潛水泵的節(jié)能改造

姜遠(yuǎn)遠(yuǎn)1，閆強(qiáng)波2，鄭建平1

（ 1.日照東方電機(jī)有限公司，山東 日照 276800；2.博能傳動(dòng)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

基于永磁電機(jī)技術(shù)對(duì)灌溉用7.5kw潛水泵進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。闡述利用有限元等手段對(duì)電機(jī)改造的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，證明改造后節(jié)能效果明顯。

永磁同步電機(jī)；潛水泵；節(jié)能；有限元

0 引言

近年來(lái)，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，交流調(diào)速永磁同步電機(jī)受到了人們的重視，由于其效率高、功率因數(shù)高，故在多場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹采用交流調(diào)速永磁同步電機(jī)技術(shù)對(duì)7.5 kW潛水泵的節(jié)能改造以及改造后的節(jié)能效果。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國(guó)農(nóng)村，農(nóng)田灌溉水源大多通過(guò)農(nóng)用潛水泵從地下取水，其效率低、功率因數(shù)低，屬于耗能大戶(hù)。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的7.5 kW潛水泵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)較早，電機(jī)能耗較高。表1所示為待改進(jìn)的7.5 kW潛水泵銘牌顯示數(shù)據(jù)：

表1 7.5 kW潛水泵性能參數(shù)

該水泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在流量及揚(yáng)程均滿(mǎn)足額定要求的情況下，電流均在20 A以上，可見(jiàn)其能耗實(shí)際值高于設(shè)計(jì)值。

與此同時(shí)，在調(diào)查其他不同制造商生產(chǎn)的7.5 kW潛水泵時(shí)，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，在流量及揚(yáng)程均在額定要求的情況下，運(yùn)行電流均在20 A以上。表明現(xiàn)有7.5 kW潛水泵效率過(guò)低，能耗較高，屬于高耗能產(chǎn)品。

2 改進(jìn)設(shè)想

永磁同步電機(jī)是在稀土永磁材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，重量輕；損耗少，效率高等顯著特點(diǎn)。與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，顯著提高功率因數(shù)，減少了定子電流和定子電阻損耗，且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗，可因總損耗降低進(jìn)而提高設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，其效率相比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提高2%～8%。同時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使其輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果更為明顯。

設(shè)想以一臺(tái)正在使用的7.5 kW潛水泵為改造對(duì)象，通過(guò)更換全新設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)整體高效、節(jié)能設(shè)想。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)設(shè)定

已知潛水泵電機(jī)技術(shù)要求為：額定功率7.5 kW；額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min；額定轉(zhuǎn)矩23.9 N·m。

考慮到電機(jī)材料用量、轉(zhuǎn)子空心率、工藝難度等因素，確定電機(jī)極對(duì)數(shù)為8極，相對(duì)于2、4、6極而言，跨距小，繞組端部短，材料用量少。同時(shí)，轉(zhuǎn)子直徑大，定子軛部尺寸適中，可避免軛部過(guò)窄時(shí)工藝性差以及過(guò)寬時(shí)材料利用率差等不良現(xiàn)象。

確定電機(jī)額定頻率為：200 Hz。

為獲得更優(yōu)的反電勢(shì)波形，定子選擇30槽。

為提高轉(zhuǎn)子凸極率，提高電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，采用內(nèi)置一字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

3.1.1 鐵芯長(zhǎng)度

參考異步電機(jī)的電樞直徑，定子內(nèi)外徑比值應(yīng)在0.68左右，故初選定子內(nèi)徑為120 mm。采用國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)中的TRV值估算鐵芯長(zhǎng)度：

式中 T—轉(zhuǎn)矩

Da—定子內(nèi)徑

L—鐵芯長(zhǎng)度

對(duì)于全密閉的永磁電機(jī)，TRV一般如下：

1）小型鐵氧體永磁電機(jī)：7 kN·m/m3～14 kN·m/m3

2）粘結(jié)釹鐵硼永磁電機(jī)：20 kN·m/m3

3）燒結(jié)釹鐵硼，稀土鈷永磁電機(jī)：14 kN·m/m3～ 42 kN·m/m3

由于潛水泵電機(jī)屬機(jī)殼外水冷電機(jī)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，TRV取22 kN·m/m3。通過(guò)估算的定子內(nèi)徑，算出鐵芯長(zhǎng)度為96 mm。

3.1.2 線圈匝數(shù)

通過(guò)電源頻率、電源電壓和每極基波磁通Φm1確定匝數(shù)：

式中 Kw1—繞組系數(shù)

Tph—每相串聯(lián)匝數(shù)

Φm1—基波氣隙磁通

f—電機(jī)額定頻率

基波磁通Φm1隨著電機(jī)尺寸不同發(fā)生變化，在正常負(fù)載點(diǎn)采用式3與峰值氣隙磁密Bm1聯(lián)系：

式中D為定子鐵芯內(nèi)圓直徑，P為極對(duì)數(shù)。因使用了稀土永磁體，Bm1可達(dá)0.8 T。針對(duì)本機(jī)所需速度可能太高，如設(shè)Bm1為0.79 T，D為120 mm，Lstk為96 mm，P為4，根據(jù)式（3）求出Φm1為0.002 304 Wb。

通過(guò)計(jì)算繞組系數(shù)Kw1=0.9 099，但仍然指定一個(gè)值線圈匝數(shù)來(lái)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，本次反電勢(shì)設(shè)計(jì)按照90%的端電壓設(shè)計(jì)，其相電壓是因此每相串聯(lián)匝數(shù)Tph≈ 110。

3.1.2 永磁體尺寸

以極距τ和氣隙δ確定永磁體尺寸，通過(guò)式（4）、式（5）估算，基本確定永磁體尺寸：

3.2 有限元仿真

3.2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和鐵芯之間互相作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，由永磁體和電樞齒之間相互作用力的切向分量引起。當(dāng)定轉(zhuǎn)子處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，處于永磁體極弧部分的電樞齒與永磁體間的磁導(dǎo)基本不變，因此電樞齒周?chē)艌?chǎng)基本不變，而與永磁體兩側(cè)面相對(duì)的由一個(gè)或兩個(gè)電樞齒構(gòu)成的一小段區(qū)域內(nèi)，磁導(dǎo)變化大，導(dǎo)致磁場(chǎng)儲(chǔ)能變化，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)速度控制系統(tǒng)中的低速性能與位置控制系統(tǒng)中定位精度都有很大的影響，如低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪聲。7.5 kW潛水泵永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩曲線見(jiàn)圖1，齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值見(jiàn)表2。

圖1 7.5 kW潛水泵永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

表2 7.5 kW潛水泵永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值

從仿真數(shù)據(jù)看，齒槽轉(zhuǎn)矩最大為0.073，占總轉(zhuǎn)矩的0.31%。由于負(fù)載為水泵，齒槽轉(zhuǎn)矩不大，故無(wú)需特殊消除齒槽轉(zhuǎn)矩措施。

3.2.2 空載反電勢(shì)

空載反電勢(shì)是永磁同步電機(jī)非常重要的參數(shù)?？蛰d反電勢(shì)由電動(dòng)機(jī)中永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生?？蛰d反電勢(shì)不僅決定電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于增磁狀態(tài)還是去磁狀態(tài)，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能均有很大影響。圖2為7.5 kW潛水泵永磁電機(jī)空載反電勢(shì)曲線，空載反電勢(shì)數(shù)值見(jiàn)表3.

圖2 7.5 kW潛水泵永磁電機(jī)空載反電勢(shì)曲線

表3 7.5 kW潛水泵永磁電機(jī)空載反電勢(shì)數(shù)值

仿真數(shù)據(jù)顯示：空載反電勢(shì)有效值為216 V，與最初的設(shè)計(jì)估算值202 V略有差異，這里以仿真數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

3.2.3 空載磁密分布及氣隙磁密波形

空載磁密分布見(jiàn)圖3，氣隙磁密波形見(jiàn)圖4。

圖3 空載磁密云圖

圖4 氣隙磁密波形

3.2.3 運(yùn)行仿真結(jié)果

永磁同步電機(jī)的運(yùn)行仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 仿真結(jié)果

4 測(cè)試比對(duì)

同條件下的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 測(cè)試數(shù)據(jù)

表5數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際運(yùn)行值基本滿(mǎn)足仿真值。同時(shí)，由于使用了變頻器驅(qū)動(dòng)，起動(dòng)方式為恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，起動(dòng)瞬間對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，電機(jī)也不存在5～7倍起動(dòng)電流，使電機(jī)安全運(yùn)行更有保障。運(yùn)行時(shí)調(diào)速也極為方便，可實(shí)時(shí)控制水泵流速。

改造前后水泵電機(jī)用材對(duì)比見(jiàn)表6：

表6 材料對(duì)比

表6數(shù)據(jù)顯示，永磁同步電機(jī)替代了異步電機(jī)，雖在轉(zhuǎn)子上使用價(jià)格較高的稀土永磁材料，但使用永磁材料后可使定轉(zhuǎn)子鐵芯縮短，減少定轉(zhuǎn)子銅重和鐵重，成本并未發(fā)生較大增長(zhǎng)。但是，由于使用了不同的極數(shù)和槽極配合，定轉(zhuǎn)子需要重開(kāi)模具，由此帶來(lái)的初期投入費(fèi)用較大。

5 結(jié)論

利用永磁調(diào)速同步電機(jī)技術(shù)改造的水泵具有較高的節(jié)電率，是水泵企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)較優(yōu)的選擇，且成本基本保持不變，對(duì)目前國(guó)家提倡的節(jié)能減排有著積極的意義。

[1]J.R. Hendershot & T.J.E. Miller.Brushless Permanent Magnet Motor Design [M].1994.

[2]黃國(guó)治.傅豐禮.Y2系列三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]譚建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4]王艾萌.新能源汽車(chē)電機(jī)的設(shè)計(jì)及弱磁控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

The Energy Saving Reformation of the Submersible Pump Based on the AC Speed Regulation Permanent Magnet Synchronous Motor

Jiang Yuanyuan1, Yan Qiangbo2, Zhen Jianping1
( 1. Rizhao Oriental Motor Co., Ltd., Rizhao 276800, Shandong;2. Boneng Transmission (Suzhou) Co., Ltd., Suzhou 215131, Jiangsu )

The 7.5kW submersible pump, based on the permanent magnet motor, used for irrigation is reformed to achieve the purpose of energy saving. The design process of motor transformation by means of finite element method is introduced. It is proved that the energy saving effect is obvious after the transformation through practical test.

Permanent magnet synchronous motor; Submersible pump; Energy saving; Finite element

TM351

A

1674-2796（2017）06-0017-04

2017-06-09

姜遠(yuǎn)遠(yuǎn)（1990—），男，大學(xué)專(zhuān)科，主要從事大中型永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)工作。