低壓永磁同步電動機不同轉子磁路結構分析

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方便獲得越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入一個新的階段。

永磁同步電動機也由定子、轉子和端蓋等部件構成。定子與普通感應電動機基本相同，也采用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗，轉子鐵心可以做成實心的，也可以用疊片疊壓而成。電樞繞組既可以采用集中整距繞組的，也可以采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的。永磁電機的氣隙大小是一個非常重要的尺寸，盡管它對這類電動機的無功電流的影響不如對感應電動機敏感，但是它對電動機的交、直軸電抗影響很大，進而影響到電動機的其它性能。而且，氣隙的大小還對電動機的裝配工藝和電動機的雜散損耗有著較大的影響。永磁同步電動機與其他電機最主要的區(qū)別是轉子磁路結構，下面對其進行詳細分析。轉子磁路結構不同，則電動機的運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場所也不同。按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電動機的轉子磁路結構一般可分為三種：表面式、內置式和爪極式。

1 結構分類

1.1 表面式轉子磁路結構

這種結構中，永磁體通常呈瓦片型，并位于轉子鐵心的外表面上，永磁體提供磁路的方向為徑向，且永磁體外表面與定子鐵心內圓之間一般僅套以起保護作用的非磁性圓筒，或在永磁磁極表面包以無緯玻璃絲帶起保護作用。

表面式轉子磁路結構又分為凸出式和插入式兩種，對采用稀土永磁的電機來說，由于永磁材料的相對回復磁導率接近1，所以表面凸出式轉子在電磁性能上屬于隱極轉子磁路結構；而表面插入式轉子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導率很大的鐵磁結構，故而在電磁性能上處于凸極轉子磁路結構。

1.2 內置式轉子磁路結構

這類結構的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間(對外轉子磁路結構則為永磁體內表面與轉子鐵心內圓之間)有鐵磁物質制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或者銅條籠，起阻尼或(和)起動作用，動、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機。內置式轉子內的永磁體受到極靴的保護，其轉子磁路結構的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉矩也有助于提高電動機的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴散。

按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，內置式轉子的磁路結構又可分為徑向式、切向式和混合式三種。

1.3 爪極式轉子磁路結構

爪極式轉子磁路結構通常由兩個帶爪的法蘭盤和一個圓環(huán)形的永磁體構成。左右法蘭盤的爪數(shù)相同，且兩者的爪極相互錯開，沿圓周均勻分布，永磁體軸向充磁，因此左右法蘭盤的爪極分別形成差異，相互錯開的永磁同步電動機的磁極。爪極式結構永磁同步電動機的性能較低，實際生產(chǎn)中較少使用。

2 性能分析

我們利用Ansoft計算軟件對永磁同步電動機進行分析，以55kW- 4電機為例，分析了自起動和變頻起動永磁同步電動機。

2.1 自起動永磁同步電動機

2.1.1 結合Ansoft計算軟件，我們對自起動永磁同步電動機中的“一”字型、“V”字型、“W”型以及“U”型轉子磁路結構分別進行分析，分別得出永磁同步電動機熱負荷、空載反電勢、失步轉矩倍數(shù)、堵轉參數(shù)、起動參數(shù)以及齒槽轉矩等性能數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 性能分析

通過結果對比分析我們可知：“W”型轉子磁路結構溫升以及過載能力強但起動性能較差、齒槽轉矩較大；“U”型轉子磁路結構起動性較好但過載能力差；從性能上綜合分析，“一”字型和“V”字型較好，但從工藝角度上分析，“一”字型單塊永磁體尺寸較大，操作困難，故對于自起動永磁同步電動機來說“V”字型轉子磁路結構更好。

2.1.2 接下來我們對“V”字型轉子磁路結構進行進一步分析，在其余參數(shù)保持不變的情況下，分別對氣隙大小、“V”型夾角大小以及起動籠的形狀進行分析，可得如下結論。

當氣隙大小逐漸增加時，電機的空載反電勢越來越小，電機的齒槽轉矩先是減小但隨后又增加，故在氣隙達到2倍同規(guī)格異步電動機氣隙時，電機性能較為優(yōu)良；由分析可知，當“V”型夾角即同一極下的兩塊磁鋼所呈夾角角度過小時，電動機會無法啟動，但當夾角越大時所需起動時間越長，故“V”型夾角應在100°～150°之間，此時性能較好且在工藝上便于鑲嵌磁鋼；對比矩形起動籠和圓形起動籠永磁電動機性能數(shù)據(jù)結果可知，矩形起動籠永磁電動機性能略好于圓形起動籠永磁電動機，但是矩形起動籠對沖片模具耗損較大，使用年限不如圓形起動籠模具，故優(yōu)先考慮圓形起動籠。

2.2 變頻起動永磁同步電動機

2.2.1 同樣結合Ansoft計算軟件，我們對變頻起動永磁同步電動機中的“V”字型和表貼式轉子磁路結構分別進行分析，而且我們已知變頻起動永磁同步電動機轉子偏心有利于消除諧波和大大降低齒槽轉矩等優(yōu)點，故本文直接分析“V”字型和表貼式兩種典型轉子磁路結構偏心后的性能分析，分別得出永磁同步電動機效率、功率因數(shù)、電密、熱負荷、定子齒磁密、定子部磁密、氣隙磁密、漏磁系數(shù)、空載反電勢以及失步轉矩倍數(shù)等性能數(shù)據(jù)，具體見表2。

表2 性能分析

經(jīng)對比分析，在相同條件下，盡管表貼式性能略好于“V”字型，但表貼偏心式轉子磁路結構在工藝上非常難加工實現(xiàn)，故綜合考慮，“V”字型比表貼式更實際、更優(yōu)良。

2.2.2 接下來我們對“V”字型轉子磁路結構進行進一步分析，在其余參數(shù)保持不變的情況下，分別對偏心距大小以及永磁體槽型進行圓角處理進行分析，可得如下結論。

當我們觀察磁密云圖時發(fā)現(xiàn)，永磁體槽型的尖角處有磁密過高的情況，當將尖角改為圓角后，一方面，此處的磁密大大降低，而且電機的性能沒有變化，使得電機整體性能更加優(yōu)良。另一方面，對于轉子沖片模具來說，圓角比尖角更能延長模具的使用壽命；偏心圓圓心和整個圖形圓心相差的距離為偏心距，我們已知轉子偏心可以很好的消除諧波的影響，當偏心距越大時，電機的齒槽轉矩越小，空載反電勢越大，但同時，定子的齒磁密和軛磁密也越大，故此，在定子磁密飽和前偏心距越大越好。

圖1 帶尖角磁密云圖

圖2 帶圓角磁密云圖

3 結語

本文以55kW-4電動機為研究對象，利用Ansoft計算軟件計算出電機的效率、功率因數(shù)、失步轉矩倍數(shù)、齒槽轉矩以及空載反電勢等永磁同步電動機的參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析對比，更好的了解了轉子磁路結構對電機的影響，對今后永磁同步電動機選擇轉子磁路結構類型和優(yōu)化時提供了寶貴的經(jīng)驗。