高壓自起動永磁同步電動機(jī)的設(shè)計及實驗研究

摘 要：該文主要探究高壓自起動永磁同步電動機(jī)的設(shè)計要點，并對其性能進(jìn)行實驗探究。定子設(shè)計主要包括合理選擇定子沖片以及確定定子槽數(shù)，同時將定子繞組的端部連接形式改為“Y”接形式，避免諧波在定子繞組之間產(chǎn)生環(huán)流。轉(zhuǎn)子設(shè)計主要包括選擇合理的轉(zhuǎn)子槽型，以及采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，并通過加裝隔磁磁橋的方式，避免磁路結(jié)構(gòu)發(fā)生漏磁現(xiàn)象。結(jié)合設(shè)計方案改造電動機(jī)，并進(jìn)行溫升實驗和振動實驗。結(jié)果表明，該電動機(jī)在滿載時效率穩(wěn)定在98%左右，功率因數(shù)達(dá)到0.997，在穩(wěn)態(tài)時的設(shè)計性能較好。在風(fēng)機(jī)正常工作情況下，繞組與軸承等可以很快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，熱穩(wěn)定性良好。電動機(jī)振動較小，運行平穩(wěn)，綜合性能良好。

關(guān)鍵詞：高壓自起動永磁同步電動機(jī)；定子沖片；轉(zhuǎn)子永磁體；溫升實驗；設(shè)計要點

中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0126-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of high-voltage self-starting permanent-magnet synchronous motor and makes an experimental study on its performance. The stator design mainly includes reasonably selecting the stator lamination plate and determining the number of stator slots， and changing the end connection form of the stator winding to "Y" connection to avoid the circulating current between the stator windings. The rotor design mainly includes the selection of reasonable rotor slot type， the use of built-in magnetic circuit structure， and the installation of magnetic isolation bridge to avoid magnetic leakage. Based on the design scheme， the motor is reformed， and the temperature rise experiment and vibration experiment are carried out. The results show that the efficiency of the motor stable at around 98% at full load， and the power factor can reach 0.997. The design performance of the motor is good in steady state. In the normal working conditions of the fan， the windings and bearings can reach the state of thermal balance quickly and have good thermal stability. The motor has the advantages of small vibration， stable operation and good comprehensive performance.

Keywords： high-voltage self-starting permanent-magnet synchronous motor; stator lamination; rotor permanent-magnet; temperature rise experiment; design point

在各行各業(yè)大力推廣節(jié)能減排的背景下，研發(fā)和使用低功耗、高效率、高功率因數(shù)的電動機(jī)，能夠發(fā)揮顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。高壓自起動永磁同步電動機(jī)因其具有自行起動能力，在定速驅(qū)動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；同時融合了永磁電機(jī)高效率、高功率因數(shù)的優(yōu)勢，逐步替代了傳統(tǒng)的異步感應(yīng)電機(jī)。但是在高壓自起動永磁同步電動機(jī)的應(yīng)用中，仍然存在容易發(fā)生漏磁、熱穩(wěn)定性差等問題。因此，必須要結(jié)合電動機(jī)的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點對定子、轉(zhuǎn)子等重要構(gòu)件展開優(yōu)化設(shè)計，從而進(jìn)一步改善高壓自起動永磁同步電動機(jī)的性能。

1 高壓自起動永磁同步電動機(jī)的設(shè)計

1.1 定子設(shè)計

1.1.1 定子沖片的設(shè)計

高壓自起動永磁同步電動機(jī)的定子沖片，根據(jù)電動機(jī)中心高的不同，其型式也有差異。通常來說，當(dāng)電動機(jī)的中心高較小時，選擇圓形定子沖片；當(dāng)電動機(jī)的中心高較大時，選擇扇形定子沖片，每片的圓心角為30°。另外，定子槽數(shù)（Q）也是定子沖片設(shè)計中的核心參數(shù)，主要與每極每相槽數(shù)（q）、相數(shù)（m）以及電機(jī)極數(shù)（p）有關(guān)，計算公式為

Q=。

增加q值，有助于降低定子諧波磁場，減少附加損耗，并且提高定子線圈的散熱能力，但是材料加工成本也會相應(yīng)上升。對于高壓自起動永磁同步電動機(jī)，q值一般控制在2～6之間（取整）。在不同極數(shù)下，定子槽數(shù)的數(shù)量見表1。

1.1.2 定子繞組的設(shè)計

在高壓自起動永磁同步電動機(jī)運行中，會形成以轉(zhuǎn)子永磁體為中心的氣隙磁場，當(dāng)導(dǎo)線通過氣隙磁場時，從導(dǎo)線內(nèi)部流過的電流會產(chǎn)生諧波。為了避免諧波在定子繞組產(chǎn)生環(huán)流，將定子繞組的端部設(shè)計成“Y”接形式。同時，將定子線圈設(shè)計成雙層疊繞形式，盡量縮小上下2層繞組之間的間距改善氣隙磁場波形。

1.2 轉(zhuǎn)子的設(shè)計

1.2.1 轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計

高壓自起動永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子槽型可分為2種基本類型，即閉口槽和半閉口槽。其中，閉口槽又可細(xì)分為閉口梯形槽、閉口梨形槽等若干種，半閉口槽則可以分成凸形槽、刀形槽、圓形槽等[1]。從實際應(yīng)用效果來看，閉口槽轉(zhuǎn)子的漏抗較大，導(dǎo)致電動機(jī)的啟動速度變慢，因此本文在設(shè)計轉(zhuǎn)子時選用了半閉口矩形槽。

1.2.2 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計

從結(jié)構(gòu)組成上看，高壓自起動永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上方為永磁體，因此不能像感應(yīng)電機(jī)那樣使用轉(zhuǎn)子斜槽，只能設(shè)計成定子斜槽。轉(zhuǎn)子上的永磁體有2種布置形式，一種是表面式，由于占用額外的空間，制作工藝難度大，很少使用。另一種是內(nèi)置式，將永磁體置于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與轉(zhuǎn)子鐵芯軸孔之間，節(jié)約了空間。但是內(nèi)置式永磁體也存在弊端，例如容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁路不對稱，產(chǎn)生較大的磁阻轉(zhuǎn)矩，磁路結(jié)構(gòu)發(fā)生漏磁的概率也會大幅度升高。為了避免此類問題，本文在高壓自起動永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計中，對內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，將原來“一”字型排布的永磁體，更改為“V”型或“U”型，同時采取了加裝隔磁磁橋的保護(hù)措施（圖1），最大程度上杜絕結(jié)構(gòu)漏磁現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

1.3 轉(zhuǎn)子永磁體與轉(zhuǎn)子槽相對位置設(shè)計

如上文所述，在高壓自起動永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子槽與永磁體之間加裝了一段隔磁磁橋。根據(jù)隔磁磁橋布置形式的不同，又可分為“一”字型、“V”字型等類型。這里以最為常見的“V”字型隔磁磁橋為例，在永磁體與轉(zhuǎn)子槽之間，以及相鄰的2個永磁體之間，都布置了隔磁磁橋。其中，電動機(jī)的抗漏磁性能可以用漏磁系數(shù)來表示，漏磁系數(shù)越大，材料在外加磁場下的磁感應(yīng)強度變化較大，意味著磁性響應(yīng)能力較好[3]。而隔磁磁橋?qū)挾仁菦Q定電動機(jī)漏磁系數(shù)的核心因素，當(dāng)轉(zhuǎn)子寬度一定時，隔磁磁橋?qū)挾扰c漏磁系數(shù)的關(guān)系見表2。

由表2可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽寬為5 cm時，隔磁磁橋?qū)挾仍酱?，漏磁系?shù)也會變大，兩者之間呈正相關(guān)。因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)子永磁體與轉(zhuǎn)子槽相對位置時，可以適當(dāng)增加兩者之間的距離，預(yù)留出更多空間，以便于增加隔磁磁橋?qū)挾?，使電動機(jī)具備更好的電磁性能。

2 高壓自起動永磁同步電動機(jī)實驗

2.1 實驗平臺的搭建

選取一臺6 kV-280 kW高壓自起動永磁同步電動機(jī)，并按照上文設(shè)計內(nèi)容對定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子永磁體與轉(zhuǎn)子槽相對位置等進(jìn)行改造，驗證該設(shè)計方案下的電動機(jī)性能。定子繞組為“Y”接形式，采用IP411機(jī)殼表面冷卻方式，通過溫度傳感器實時獲取電動機(jī)各個部位的溫度，通過加速度計測量電動機(jī)的振動參數(shù)，通過扭矩傳感器獲取電動機(jī)所加負(fù)載值和轉(zhuǎn)速。采用通信電纜將傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸入到監(jiān)控系統(tǒng)中，測試人員可以實時掌握電動機(jī)的溫度變化和振動情況[4]。

2.2 工作特性測試

將樣機(jī)啟動運行1 min后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行階段并開始工作特性測試。選取了定子電流、效率與功率因數(shù)3項指標(biāo)反映電動機(jī)在冷態(tài)和熱態(tài)時不同負(fù)載率下的指標(biāo)變化。本次實驗環(huán)境溫度為22 ℃，首先讓電動機(jī)穩(wěn)定運行1.0 h（熱態(tài)），測定此時電動機(jī)的定子電流、效率、功率因數(shù)；然后繼續(xù)讓電動機(jī)穩(wěn)定運行2.0 h（冷態(tài)），以同樣方法測定3項指標(biāo)。統(tǒng)計實驗測試數(shù)據(jù)并繪制變化曲線，這里以“效率-負(fù)載率”變化曲線為例，如圖2所示。

由圖2可知，高壓自起動永磁同步電動機(jī)無論是在冷態(tài)還是熱態(tài)下，隨著負(fù)載率從20%增加至100%，其效率都呈現(xiàn)出上升趨勢。橫向?qū)Ρ葋砜?，在電動機(jī)的負(fù)載率20%～60%階段，效率變化較為明顯；當(dāng)電動機(jī)負(fù)載率升高到60%以后，效率趨于穩(wěn)定。其中，冷態(tài)下電動機(jī)滿載效率穩(wěn)定在95%左右，此時對應(yīng)的功率因數(shù)為0.983；熱態(tài)下電動機(jī)滿載效率穩(wěn)定在98%左右，此時對應(yīng)的功率因數(shù)為0.997。由此可見，高壓自起動永磁同步電動機(jī)在穩(wěn)態(tài)時的設(shè)計性能較好。

2.3 溫升實驗

通過溫升實驗可以直觀地判斷高壓自起動永磁同步電動機(jī)在負(fù)載運行時繞組等關(guān)鍵部位的溫度變化情況，進(jìn)而反映電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子等部位設(shè)計是否合理。另外，電動機(jī)內(nèi)永磁體的性能受到溫度的直接影響，因此溫升實驗結(jié)果也可作為永磁體改良設(shè)計的重要依據(jù)。本文選擇異步電機(jī)直接加載法進(jìn)行高壓自起動永磁同步電動機(jī)的溫升實驗。使高壓自起動永磁同步電動機(jī)穩(wěn)定運行60 min后，使用一個密封罩將風(fēng)機(jī)出口塞住，并且不采取任何冷卻措施，使電動機(jī)在該狀態(tài)下持續(xù)運行90 min。然后拆除密封罩，讓風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常的散熱作用，直到溫升實驗結(jié)束[5]。收集溫度傳感器提供數(shù)據(jù)并整理成電動機(jī)定子繞組和軸承溫度變化曲線圖，如圖3所示。

由圖3可知，在電動機(jī)穩(wěn)定運行的0～60 min內(nèi)，繞組和軸承溫度雖然有所上升，但是幅度并不明顯。以繞組A為例，在60 min時溫度為36.1 ℃，相比于初始溫度25.7 ℃僅升高了10.4 ℃。在60～150 min的時間段內(nèi)，由于風(fēng)機(jī)封堵導(dǎo)致散熱不暢，繞組與軸承的溫度開始明顯升高。還是以繞組A為例，在150 min時溫度達(dá)到了55.7 ℃，相比于60 min時溫度升高了19.6 ℃。在150 min后重新采取了風(fēng)機(jī)散熱措施后，繞組的溫度有所下降，并且在180 min后繞組和軸承的溫度都趨于穩(wěn)定，此時電動機(jī)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。

2.4 振動的測量

振動雖然不能直接表示高壓自起動永磁同步電動機(jī)的性能，但是對于其運行效率和使用壽命有較大的影響，也是衡量電動機(jī)設(shè)計與應(yīng)用效果的重要指標(biāo)。使電動機(jī)在同步速度空載及負(fù)載狀態(tài)下開展了振動實驗，將傳感器分別置于電動機(jī)軸伸端的水平方向、垂直方向和軸向，主要測量速度、位移和加速度3項參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)見表3。

由表3數(shù)據(jù)可知，電動機(jī)在空載運行時振動較?。辉谪?fù)載運行時振動有所增加，但是總體來看對電動機(jī)正常運行的影響不大，該電動機(jī)具有良好的設(shè)計性能。

3 結(jié)束語

基于高壓自起動永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成與運行環(huán)境，需要對定子沖片、定子繞組，以及轉(zhuǎn)子槽型、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)等方面展開優(yōu)化設(shè)計。實驗表明，經(jīng)過設(shè)計改良后，高壓自起動永磁同步電動機(jī)的運行穩(wěn)定性得到了加強，在滿載情況下最高效率穩(wěn)定在95%以上，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

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