高壓自起動三相永磁同步電動機電磁仿真分析

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

相對于異步電機，永磁同步電機具有體積小、重量輕、功率密度高等優點。永磁同步電機的轉子上帶有永磁磁鋼，不需要外部提供勵磁，可以顯著提高功率因數。在各種類型的永磁電機中，高壓自起動永磁同步電機不需要專門的控制系統，可以像普通高壓異步電機一樣直接接在工頻電網上運行，因此受到市場的青睞。我國作為一個稀土資源儲量占世界總量80%的稀土大國，發展高效節能的稀土永磁同步電機具有得天獨厚的條件。采用高壓自起動永磁同步電機替代目前廣泛使用的高壓異步電機，將會產生非常可觀的節能降耗效益，對于緩解我國環境污染及實現能源的可持續發展都具有重要的意義。

高壓自起動永磁式三相同步電動機主要針對風機、水泵類負載。工業用風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等，水泵設備主要用于提水泵站、工業水(油)循環系統、離心泵、軸流泵等，高壓永磁式三相同步電動機在電力、冶金、煤炭、石化等行業均有廣泛應用。

1 基于RMxprt的自起動永磁同步電動機模型建立

永磁同步電機在穩態運行時轉子沒有基波銅耗，效率比同規格的異步電機要高2%～8%，同時，永磁同步電機在25%～120%額定功率范圍內都具有較高的效率和功率因數,如圖1所示。總之，永磁同步電機在長時間運行或在多數為輕載運行工況的場合使用節能效果可達15%～20%，相比異步電機具有明顯的節能優勢。

圖1 電動機效率因數與負載率的關系曲線

通過Ansys Maxwell中RMxprt模塊建立高壓自起動永磁同步電動機模型，其中沖片材質為50W470，轉子籠條及端環材質為黃銅，永磁體材質為N38SH。TYCKK 400-4 280kW路算法整體模型，如圖2所示。

圖2 TYCKK 400-4 280kW路算法整體模型

由于磁路法計算并不能完全滿足高壓異步永磁同步電動機的電磁設計，比如路算法中無法計算起動電流倍數、空載反電勢等參數，同時路算法中采用了大量的經驗系數，無法對電磁參數進行準確計算。利用有限元法可以充分考慮電機鐵心結構的變化、氣隙磁場的高次諧波、磁路飽和以及直交軸磁路之間的磁耦合等因素，對電磁參數的計算更加準確。

2 基于Maxwell 2D的自起動永磁同步電動機模型建立

2.1 有限元模型的建立

采用有限元仿真軟件Maxwell 2D建立TYCKK 400-4 280kW二維有限元模型，為了提高計算精度，采用整模型，模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

2.2 空載特性的仿真

空載反電動勢是永磁同步電機的一個非常重要的參數，且對電動機的動態性能、穩態性能均有很大的影響。合理的空載反電動勢，可以有效的降低定子電流，從而提高電動機的效率和功率因數，降低電機的溫升。本次設計的電機空載反電動勢波形，如圖4所示。從圖4中可以看出，空載相反電動勢波形很接近正弦波。且對于工作于恒轉矩區的電機來說，空載反電勢的合理范圍在90%到95%額定相電壓之間。根據仿真結果，反電勢有效值(5440/5770)×100%=94.28%，在合理的范圍區間內。

圖4 電機空載反電勢波形

圖5 電機空載反電勢傅里葉分解圖

利用Maxwell 2D對相反電勢波形做了傅里葉級數分解。從圖5傅里葉級數分解圖看出在相反電勢中，基波占了絕對的比例，三次諧波為基波的11.86%，基本不含五、七次諧波，高次諧波中的27次諧波有較大比例，為基波的8.8%。

圖6是全模型對應的空載氣隙徑向磁密分布曲線，最大磁密接近1.0T。有效值0.5777T由于采用開口槽結構，其槽口漏抗較閉口槽和半開口槽要大得多。且由于采用了整數槽配合的方式，對于氣隙中諧波的削弱能力較分數槽配合方式要弱的多。因此，氣隙磁密波形整體包絡線顯示出平頂波的趨勢。對徑向氣隙磁密進行傅立葉分解，諧波中三次諧波占有較大比例，其余高次諧波均在很低范圍。

圖6 空載時氣隙磁密諧波分析

2.3 空載漏磁系數的仿真分析

圖7為空載二維場下電機磁力線走勢，從圖中可以看出磁力線分布比較合理，但是為了保證永磁體運行的安全性和可靠性，必須存在適當的漏磁以保證合適的最大去磁點。因此在設計上，每極永磁體兩段之間存在漏磁，極間也存在漏磁。綜合漏磁系數為1.130。

圖7 空載磁力線走勢圖

2.4 齒槽轉矩的仿真分析

齒槽轉矩是永磁電機的特有問題之一，齒槽轉矩是由于轉子永磁體磁場同定子鐵心的齒槽相互作用，在圓周方向產生了轉矩。齒槽轉矩會引起電機輸出轉矩的脈動和噪聲，齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。從圖8中可以看出該電機齒槽轉矩的最大幅值為116 N·m，電動機的額定轉矩為1783 N·m，所占比例為6.5%，比例在經驗范圍內。

圖8 齒槽轉矩波形

2.5 起動性能分析

永磁同步電動機由于在轉子上安放了永磁體，使得自起動永磁同步電動機的起動過程較異步電動機而言要復雜的多，除要求在起動過程具有一定的起動轉矩倍數、起動電流倍數外，還要求電動機具有足夠的牽入同步能力，同時自起動永磁同步電動機在起動過程中既有平均轉矩，又有脈動轉矩，且這些轉矩的幅值均隨電動機轉速的改變而改變。因此，同功率的自起動永磁同步電動機的起動過程，要較異步電機困難的多。

圖9為欠壓狀態下，電機起動時的轉速曲線。由轉速曲線可以看出，電機在10s時，已經進入超速過程，14s后，電機已經完全起動完成。由電機學原理可知，電動機從接近同步轉速開始到牽入同步過程中，如果電磁轉矩足夠大，則電動機升速到超過同步轉速，然后又減速，使轉子轉速圍繞同步轉速振蕩。由于穩態同步轉矩作用，使振蕩衰減，轉子逐漸牽入同步。圖10為起動過程中給定的負載轉矩曲線。

圖9 電機起動時的轉速曲線

圖10 電機起動時的負載轉矩曲線

圖11為起動段電流仿真波形。起動段電流峰值為160A左右，14s以后，電流進入穩定階段，此時電機已完全起動。由計算，此階段中，起動電流倍數為6倍左右，與異步機的起動電流范圍相接近。

圖11 電機起動段電流仿真波形

2.6 失步轉矩的仿真分析

根據用戶的工況需求，要求該電機失步轉矩為1.8倍以上。由電機學可知，永磁電機失步的臨界狀態為功角等于90°，超過90°，則電機開始進入失步狀態。圖12為電機在各個功角下電磁轉矩曲線。當達到臨界90°時，穩態平均轉矩為4.1k N·m，因此該電機可以達到最大失步轉矩要求。

圖12 失步轉矩分析

2.7 退磁仿真分析

對于N38系列磁鋼而言，其最低去磁工作點，理論上按0.18T到0.2T選取，但是出于可靠性考慮，在電磁計算時，通常按0.4T到0.45T選取，為電機的短時過載，起動沖擊留出一定裕量。圖13為永磁同步電機額定負載磁鋼局部磁密仿真。通過以上磁密云圖，可以看到永磁體最大退磁發生于磁鋼尖角處，最低磁密0.47T左右，可以保證磁鋼在額定負載下不發生不可逆退磁。

圖13 額定狀態的磁密云圖圖

圖14 額定狀態的磁密云圖

對于起動階段的2倍過載，主要是需要考慮其沖擊電流對磁鋼退磁的影響，圖14為2倍過載下的磁鋼磁密云圖，可見磁鋼最大退磁在0.35T以上，該情況下不會對磁鋼造成永久性退磁。

3 結語

在TYCKK 400-4 280kW高壓自起動永磁式三相同步電動機電磁方案的設計過程中，我們應用了目前我公司擁有的Ansoft先進的設計手段，對電機的電磁設計方案進行了充分論證，然而由于稀土永磁電動機結構的復雜多樣，以及其相對于普通感應電動機存在牽入同步、失步、抗退磁等新問題，使得高壓自起動永磁電動機在性能分析及測試方面仍然面臨許多有待研究的問題。