永磁自起動電動機轉子結構與起動性能相關性分析

陳景易，陳文彪，夏德媛

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

0 引言

近年來，自起動永磁同步電動機以高效率、高功率因數等優點受到廣泛關注，尤其在高能耗行業使用越來越受到重視，因此，現階段對自起動永磁同步電動機進行深入研究勢在必行。本文以6 kV、315 kW高壓永磁自起動同步電動機為例，分析了永磁同步電動機的起動過程、牽入同步過程、以及牽入同步轉速后的過載能力狀況。詳細研究了起動籠條的結構、材料、籠型以及轉子鐵心和永磁體排列方式的變化等因素對起動性能帶來的影響。

1 求解模型及定解條件

1.1 求解數學模型

采用場路耦合的有限元法研究自起動永磁同步電動機的瞬態起動性能，這種方法考慮了磁路飽和與渦流的影響，計算結果較為精確［1－3］。將自起動永磁同步電動機模型做二維近似處理，忽略位移電流，因此自起動永磁同步電動機內電磁場的瞬態邊值問題可用麥克斯韋方程表述:

式中，A為矢量磁位，Ω為求解區域，Γ1為定子外圓和轉子內圓邊界，Γ2為永磁體邊界圓，Js為永磁體等效電流密度，μ為磁導率，JZ為勵磁電流密度，σ為材料電阻系數［4－5］。

1.2 求解的物理模型

永磁電機運行時所需的磁通由永磁體提供，根據6 kV、315 kW樣機的具體需求，永磁體的排列方式選用內置切向結構。12塊永磁體在轉子上沿圓周均勻分布，組成6個極;在永磁體靠近氣隙的位置安裝不導磁槽楔，用來防止運行過程中永磁體的甩落;同時在永磁體與轉軸之間安裝了隔磁套環，可以起到減小漏磁的作用。自起動永磁同步電動機的二維結構模型如圖1所示。

圖1 高壓永磁自起動同步電動機的結構模型

1.3 定解條件

由于永磁體的存在，導致自起動永磁同步電動機在起動過程中存在轉矩脈動變化，因此為了便于分析，將起動過程中的某一瞬態，認為是電動機處于異步轉速下的穩定運行狀態。

2 影響起動性能因素分析

根據永磁同步電動機的平均轉矩－轉速曲線可以大致判斷出電動機牽入能力的優劣，如圖2所示。在接近同步轉速時，如果曲線能夠保持一定的陡度，則說明永磁電動機具有較高的牽入同步能力，否則說明永磁電動機的牽入同步能力不足。

圖2 自起動永磁同步電動機牽入同步能力曲線

起動永磁同步電動機的結構對牽入能力也有一定的影響，其中永磁體對電動機的影響非常特殊。使用剩磁密度和磁能積較高的永磁體能產生較高的反電動勢，而反電動勢的增加將會影響永磁電動機牽入同步能力，主要表現在兩個方面:一是使電動機的電磁轉矩增大，有利于提高牽入同步能力;另一方面是引起永磁體的制動轉矩增大，使得平均轉矩降低，造成牽入同步開始時的轉差率增大，導致牽入能力下降。因此設計時需要考慮到永磁體對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機性能［6－8］。

起動籠條對自起動永磁同步電動機牽入性能的影響也很重要。起動籠條的改變會引起轉子電阻值的變化，轉子電阻越小，在接近同步速時，牽入轉矩就越大，從自起動永磁同步電動機的牽入能力來考慮，較小的轉子電阻能夠獲得較好的牽入性能。但是，自起動永磁同步電動機在低速自行起動時，需要足夠大的起動轉矩來克服同步制動轉矩和負載轉矩，而適當增大轉子電阻，可以獲得較大的起動轉矩，因而轉子電阻不允許太小［9］。這個矛盾問題的存在，使得在選取轉子起動籠條時要慎重考慮，研究表明采用雙籠或者復合籠結構可以取得優良的效果。

3 仿真結果分析

3.1 起動性能分析

采用瞬態場對永磁電動機啟動過程中的磁場進行分析，起動過程中的磁場分布如圖3所示。

圖3 磁場分布圖

由圖3可以看出:在0.2 s時，永磁同步電動機處于起動狀態，由于集膚效應的作用，磁力線明顯集中在轉子表層;當1.0 s時，電動機已進入穩定運行狀態，集膚效應消失，磁力線分布呈現出極好的對稱性，并且均勻的分布在轉子內。

為方便計算，本文先將起動籠條數增加到12根，然后，對電動機運行時的轉矩以及轉速隨時間的變化情況進行數值仿真，其結果如圖4所示，由圖可以看出，轉矩及轉速波動頻率較高。

3.2 不同轉子結構的起動性能分析

為了深入分析采用Halbach陣列永磁體的新型結構時電動機的起動性能，本文分別對采用切向永磁體、混合式永磁體、以及Halbach陣列永磁體的電動機進行了仿真，并將結果進行對比分析。

圖4 疊片式轉子12根籠條起動特性曲線

圖5為不同充磁方向的磁力線分布圖。從圖5中發現，Halbach陣列結構的電動機磁力線最為集中，而且轉子隔磁套環處沒有磁力線通過，可見將Halbach陣列結構運用在自起動高壓永磁同步電動機中可以起到集中磁密的作用，而且能夠降低高壓永磁電動機的體積和重量，這對提高電動機的功率密度極為有利。而對于切向永磁體和混合式永磁體的電動機，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圖

圖6為氣隙處磁密和各次諧波磁密的分布圖。對比3幅波形圖，Halbach陣列與混合式永磁體結構電動機的氣隙磁密波形的正弦性明顯優于切向式永磁體結構。對于混合式永磁體結構的電動機，其氣隙磁密在一個周期內出現了正負波形不對稱的現象，在正半周期內，波形具有較好的正弦性，但是在負半周期內，波形出現了“內凹”現象，這是由于切、徑向永磁體相互作用的結果。從諧波圖形來看，采用Halbach陣列后，電動機的諧波大大減少，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構;混合式永磁體與切向式永磁體的三次諧波幅值相差無幾，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陣列自起動高壓永磁電動機起動過程中轉速隨時間的變化關系，從圖7中曲線可以看出，與使用切向式永磁體的原結構高壓永磁電動機相比，采用Halbach陣列永磁體結構時，電動機的起動性能更加優良，從零轉速加速到牽入同步速僅需0.5 s，時間上縮短了0.1 s。而且在電動機起動時，轉速曲線爬升的陡度更大，從起動到牽入的過渡過程更為平穩，可見改進后的電動機具有更好的起動能力和牽入能力。

圖7 Halbach陣列自起動高壓永磁電動機起動過程轉速圖

4 結論

通過建立二維電磁場求解模型，對自起動永磁同步電動機在不同轉子結構下起動性能進行分析研究，得出如下結論。

1)將Halbach陣列永磁體新型結構應用在自起動高壓永磁電動機中合理可行的;

2)采用Halbach陣列永磁體結構具有集中磁密的作用，而且能夠降低高壓永磁電動機的體積和重量，提高電動機的功率密度;

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

4)采用Halbach陣列永磁體新型結構時，自起動永磁同步電動機從零轉速加速到牽入同步速僅需0.5 s，時間上縮短了0.1 s，表現出優良的起動性能和牽入能力。

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