不同氣隙長度對電機啟動性能的影響分析

宋林峰 王愛元 陳 哲 莊石榴

（上海電機學院，上海201306）

0 引言

異步啟動永磁同步電機是具有自啟動能力的永磁同步電機，其依靠定子旋轉磁場與轉子導條相互作用產生的異步轉矩啟動，啟動原理與感應電機基本相同。與普通的電勵磁同步電機相比，異步啟動永磁同步電機性能更優、結構更加簡單且能量密度顯著提高[1]。永磁同步電機的理想運行條件是正弦分布的電機電流與正弦分布的電機氣隙磁場。雖然永磁同步電機電流的正弦性能夠保證，但由于永磁同步電機本身的磁路特點，其氣隙磁場遠非正弦分布，因而影響了電機性能。氣隙磁場中的諧波含量會使系統的轉矩脈動增大，在電機中產生附加的振動噪聲，影響電機額定運行及空載運行時的效率[2]。當諧波磁場相對于磁極表面運動時，會在極面感應出渦流，從而產生表面損耗。當諧波磁場相對于齒部運動時，會在齒中感應出渦流，從而產生脈振損耗，因此優化電機的氣隙磁密分布非常必要[3]。若能分析得出電機的各結構參數變化對電機啟動性能及氣隙磁密的影響規律，則可綜合分析結果及工程實際得出該結構的較優參數，從而優化電機的結構及性能。在電機性能分析及參數選取過程中，需要利用有限元軟件搭建模型進行輔助分析。

1 氣隙長度的選擇

根據電機參數，利用AnsoftMaxwell軟件搭載二維模型進行仿真分析，其中氣隙長度取為0.6～1.6mm。圖1所示為氣隙長度選擇為0.6mm時的轉矩波形。

圖10.6mm時轉矩波形

由圖1可以看出，當氣隙長度選擇過小時，電機無法進入穩定狀態，由轉速波形圖同樣也可得出該結論。所以在參考相關資料及實際生產加工難度的情況下，將氣隙長度的參數變化范圍調整為0.8～1.6mm。

本文研究的是籠型異步啟動永磁同步電機的啟動性能，所以，需要觀察電機的啟動性能，而啟動性能又需要觀察啟動轉矩以及啟動電流。要盡可能使得電機的啟動轉矩增大，同時減小啟動電流，并縮短拖入同步的時間。由于每個參數對應的圖形較多，因此需要在對比電機的轉矩波形的基礎上來分析在修改氣隙長度的情況下電機啟動性能的差異。圖2所示為該電機修改氣隙長度后的轉矩波形對比圖，較為明顯的是0.8mm、1mm、1.2mm及1.3mm的波形。由于其他參數的波形絕大部分是重復的，所以在圖2中沒有展現出來。

圖2 4種氣隙長度下的轉矩波形對比圖

2 參數化分析

根據波形圖可以發現，當氣隙長度在1.2mm左右時，轉矩波形在接近230ms時就將進入同步，相對于其他數值的波形，能夠較早進入穩定狀態。基于對氣隙長度的初步分析，將對氣隙長度進行參數化分析，通過參數化分析來觀察不同氣隙長度下的平均轉矩及電流。

圖3、圖4就是進行參數化分析得到的平均轉矩及電流波形。

圖3 不同氣隙長度下平均轉矩參數化分析圖

再由之前的結論可知，啟動過程中需要盡可能大的啟動轉矩、盡可能小的啟動電流。可以將平均轉矩與電流的比值作為觀察結果，在氣隙長度合理的范圍內，使轉矩/電流的比值越大越好。

圖4 不同氣隙長度下電流參數化分析圖

3 數據對比

通過對數據的處理，得到圖5所示結果。由此我們可以判斷，氣隙長度在1.4mm時，轉矩/電流比達到最大，暫定取氣隙長度為1.4mm。

圖5 轉矩/電流比折線圖

4 結語

在對異步啟動永磁同步電機的啟動性能分析中，考慮到了氣隙對啟動性能的影響，通過數據的仿真并綜合實際生產的考慮，將氣隙值確定在一定范圍內，最終通過數據化分析，選出了一個最優值。雖然只是確定了一個氣隙長度，但這種研究方法可以為接下來的其他因素對該電機啟動性能影響的研究提供幫助。