紡織機用高效電機的研究

唐 雷

（深圳航天微電機有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引言

紡織行業普遍使用變頻調速感應電機，由于感應電機原理決定：其啟動、低速時高效低下，能耗非常高。本項研究的是針對紡織行業應用需求進行，開發一種成本較低的節能型紡織機用調速電機。

1 現行電機概況及設計目標。

現需要我們設計一臺無刷電機，用于取代現行的感應電機，且要求效率提升5%，低速運行平穩。

感應電機Y100L1-4主要數據：

額定轉速1450RPM

額定功率2.2kW

電機本體效率≥82%

無刷電機設計目標：

額定轉速1450RPM

額定功率2.2kW

電機本體效率≥86.1%（83%x1.05）

2 無刷電機基本原理、公式

三相無刷電機運轉時，其電壓平衡方程為：

電機轉速方程為：

U為電源電壓；△U為驅動電路壓降；Iav電樞電流；rav電樞電阻KE電機電勢常數。

轉矩平衡方程為：

電機的主要尺寸與工作點的線負荷、氣隙磁密有關。其公式為：

Di1電子內徑，l計算長度，nN額定轉速，P′計算功率，αp極弧系數，KΦ氣隙磁場波形系數，Kw基波繞組系數，B0氣息磁密，A電負荷。

主要尺寸與工作點的線負荷、氣隙磁密相關。其中線負荷又由負載方式和散熱條件來確定，如果為短時運行或加強的散熱條件，可取大值，否則將要適當的取小。氣隙磁密則根據所選永磁體材料，磁鋼的布局結構來取值，如果是釹鐵硼，一般取0.5～0.75b0。

3 主要設計方案

本研究以現行感應電機Y100L1-4作為參照。其主要數據為：效率82.0%，定子外徑155.0mm，定子長度105.0mm，銅線重2.5kg，硅鋼片重量16.4kg。

本研究設計無刷電機對比了典型的圓柱方案、盤式方案；并對主要影響電機性能、成本、尺寸的轉子永磁材料，分別對比了稀土釹鐵硼磁體永磁體以及鐵氧體磁體。交叉形成四個對比方案，四種方案均做了電磁優化。

本研究設計方案的目的是為了驗證各種典型材料、設計方案，對效率提升的效果、以及這些設計方案對材料消耗、成本影響的情況。如下圖，由上至下分別是方案A、B、C、D。

圖1

方案A：采用燒結鐵氧體磁鐵，1型磁極（表貼）。圓柱結構，外形尺寸同三相異步電機Y100L1-4。由于轉子較小，工藝原因造成磁極不能太多，更不沒法采用內嵌磁極等其他提高功率密度的方案。計算結果：效率83.7%，定子外徑155.0mm，定子長度105.0mm，銅線重1.6kg，硅鋼片重量16.4kg。

方案B：采用燒結釹鐵硼磁鐵，1型磁極（多極磁環）。圓柱結構，外形尺寸同三相異步電機Y100L1-4（長度略短）。計算結果：效率83.4%，定子外徑155.0mm，定子長度58.0mm，銅線重0.8kg，硅鋼片重量7.8kg。

方案C：采用燒結釹鐵硼磁鐵，1型磁極（表貼）。其余結構尺寸基本同下面方案D。計算結果：效率89%，定子外徑237mm，定子長度22mm，銅線重0.6kg，硅鋼片重量6.3kg。

方案D：考慮成本低廉，永磁體優選燒結鐵氧體，4型磁極。同時，為了低速平穩，選用了多磁極的方案。由于磁極較多，轉子直徑較大，電機設計成扁平盤式結構。效率88%，定子外徑237mm，定子長度22mm，銅線重0.9kg，硅鋼片重量6.3kg。

4 試驗、驗證

本研究按方案A、方案D制作驗證樣機：

圖2

經過測量、試驗，得出結論是方案D具有最優的成本、節能的優勢。與參照感應電機Y100L1-4相比：額定效率達到87.1%，提升6.2%。 用銅量 0.96kg，節約 62%。 用鐵量（硅鋼片重量）6.45kg，節約61%。

5 結論

無刷電機取代千瓦級感應電機+變頻器系統，采用無刷電機，若稀土磁體，雖然磁體成本很高,但是氣隙磁密提升后（約0.8t），功率密度較高，總體成本還是下降。但使用鐵氧體磁體時，如果采用表貼磁體氣隙磁密較低（約0.4t），功率密度不高，總體成本反而上升；如果采用嵌入式磁體，因為大幅提升了氣隙磁密（約0.8t），總成本比稀土磁鐵的電機還低20～30%。

6 結束語

本研究設計的無刷電機，顯著提高了效率，同時對銅鐵等材料的用量還能做到大幅節省。推廣使用將有較好的經濟效益及社會效益。

［1］郭慶鼎,趙希梅.直流無刷電動機原理與技術應用[M].中國電力出版社,2008.

［2］The Mathworks.SIMULINK Model-Based and System-Based Design,Writing S-Functions[M].Version 5 COPYRIGHT 1998-2002 by The MathWorks,Inc.