低諧波繞組異步起動永磁同步電動機空載特性分析

侯宇,王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

近年來永磁電動機發展迅速，其研制和生產已經具備了相當的規模，具有非常廣闊的應用前景。而在各種類型的永磁電動機中，異步起動永磁電動機因其結構相對簡單，且能與普通異步電動機通用而受到市場的青睞。若能將其廣泛代替普通感應電動機，將產生可觀的經濟效益，對我國節能減排做出重要貢獻。

正規60°相帶繞組會產生除3的倍數以外的所有奇數次諧波磁勢，這些諧波在轉子邊引起諧波電流，產生諧波轉矩和附加損耗，影響電機運行性能。雙層同心不等匝低諧波繞組在設計時使電機的雜散損耗降低，效率提高，同時使電機的起動性能和其他技術指標得到提高[1]。此繞組一方面可以減少相帶諧波含量，使磁勢波形的品質有更大的提高，振動和噪聲也相應地減少；另一方面則在保持波形不變的前提下，最大限度地提高繞組的電磁利用率，減少電機的有效材料[2]。

采用數值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、磁路飽和等[3]，因此本文以一臺55kW異步起動永磁同步電動機為研究對象，利用ANSYS Maxwell建立了雙層同心不等匝低諧波繞組及普通疊繞組兩種方案的二維有限元模型，對永磁電動機的空載特性進行對比分析，研究低諧波繞組在異步起動永磁同步電動機中的優勢。

1 低諧波繞組原理

本文研究的低諧波繞組為雙層同心不等匝低諧波繞組，該繞組每個極相組的q個線圈由外向內呈同心式分布，并且每個線圈的匝數也不同，見圖1。

圖1 線圈示意圖

低諧波繞組線圈的匝數比，就是每極每相中各線圈的匝數比例，也就是每相繞組在各槽內導體數的分配比例，使槽電流沿鐵心表面按正弦規律分布，便可得到接近于正弦形的磁勢曲線。根據低諧波繞組的設計原理，利用沿定子鐵心內圓按正弦曲線分布的電流層，求取各槽位置上的槽電流，從而求得每相各槽中的槽電流比值，即為線圈的匝數比[2]。

理論上采用低諧波繞組能夠消除所有的高次諧波，但是由于電機線圈匝數的限制，在實際情況下很難實現。同時，由于電機的齒諧波磁勢也無法避免，所以在實際運行中高次諧波依然是存在。

2 模型與邊值問題

本文所研究的永磁同步電動機，基本參數如表1所示。

表1 永磁同步電動機基本參數

對磁場進行有限元分析的基本假設如下[3]

(1)磁場沿電機軸向不變，把問題作為二維磁場來處理。

(2)忽略定子繞組中渦流引起的集膚效應，認為電密在定子繞組截面上保持均勻。

(3)忽略溫度對電導率的影響，假定計算溫度為 75℃。

(4)忽略電網中的諧波含量，認為激勵為正弦函數。

本文所選樣機的二維有限元模型見圖2，在所給定的求解區域內，用向量磁位A對數學模型進行表述。根據假設，A只有Z分量，即A=Az，則滿足的二維非線性恒定磁場的邊值問題為

(1)

式中，Jz—源電流密度的軸分量；μ—媒質的磁導率；σ—媒質的電導率；Az—矢量磁位z軸向分量。

兩種方案的繞組連接圖見圖3。

圖2 電動機二維有限元模型

圖3 繞組連接圖

3 空載特性分析

永磁同步電機的空載磁路是指電樞開路，永磁體單獨作用時一所產生的磁路。永磁同步電機的空載磁場分析主要是借助有限元軟件對電機磁場進行計算，在后處理中求取電機齒部、扼部、氣隙等部位的磁密，從而進一步求取氣隙磁通、氣隙基波磁密和各次諧波、反電動勢、漏磁系數等重要參數。

3.1 氣隙磁密

采用疊繞組和低諧波繞組的空載氣隙磁密及諧波分析見圖4和表2。可以看出，低諧波繞組電機的氣隙磁密波形更好，低次數諧波含量較低。

圖4 空載氣隙磁密

表2 氣隙磁密諧波分量幅值(T)

3.2 空載漏磁系數

永磁體向外磁路提供的總磁通與外磁路的主磁通之比被稱為漏磁系數，漏磁系數是一個很重要的參數，在永磁體提供總磁通一定時，漏磁通相對較大而主磁通相對較小，永磁體的利用率就差。

圖5 空載漏磁系數計算

因轉子結構相同，求得該電機兩種繞組形式的空載漏磁系數均為1.20。

3.3 空載反電勢分析

衡量永磁同步電動機一個很重要的指標就是空載電壓波形，以電機A相為例，提取電機空載時A相繞組一個周期的電壓波形，并將其傅里葉分解，采用疊繞組和低諧波繞組的反電勢見圖6。具體各次諧波數值見表3。

圖6 空載氣隙磁密

表3 氣隙磁密諧波分量幅值(T)

可以看出，低諧波繞組的反電勢波形要優于疊繞組反電勢波形，更接近于正弦波。同時5次、7次諧波幅值降低的較明顯，也說明了低諧波繞組的反電勢諧波含量更低。

4 結語

本文以一臺55kW異步起動永磁同步電動機為研究對象，建立了雙層同心不等匝低諧波繞組及普通疊繞組兩種方案的二維有限元模型，對永磁電動機的空載特性進行對比分析，從研究結果可以看出： (1)低諧波繞組永磁電機的氣隙磁密波形更好，低次數諧波含量較低； (2)因轉子結構相同，兩種繞組形式的空載漏磁系數差異較小；(3)低諧波繞組的反電勢波形要優于疊繞組反電勢波形，更接近于正弦波。同時5次、7次諧波幅值降低的較明顯。由于電機線圈匝數的限制，在實際情況下很難實現理論匝數比來消除所有的高次諧波。