Y450-4 630 kW感應電動機永磁改造方案設計

趙海寧，于慎波

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

Y系列中型高壓三相感應電動機是目前國內中型高壓電機的主導產品，可驅動各種通用機械，在各行各業中廣泛應用。機械設備的常規功率選型一般以最大工作能力為參照，因此絕大部分機械裝備的實際負載率一般都在20%～80%之間，一些風機水泵類負載長期處于50%以下。感應電機在低負載率時的效率和功率因數都非常低，造成了電力資源的嚴重浪費。永磁電機的特性使其在較寬的負載范圍內能保持較高的效率和功率因數。如果能將普通感應電機進行永磁改造，可以在較小的成本投入下取得巨大節能效果。本文論述在一臺Y450-4 630 kW感應電動機基礎上進行用永磁改造方案設計，對一些關鍵參數進行了分析和對比。

1 關鍵參數的選擇

1.1 槽配合的選擇

永磁同步電動機的轉子槽數通常在定轉子槽配合選用原則的允許范圍內選擇電動機極數的整數倍。原感應電機定子為60槽，推薦槽配合有60/50、60/52、60/68、60/70、60/74[1]，考慮到少槽、近槽配合可以減小雜散損耗以及永磁電動機轉子的加工工藝等問題，最終選取60/52的直槽配合。

1.2 氣隙長度的選擇

原Y450-4 630 kW感應電動機的氣隙長度為1.9 mm，永磁同步電動機為減小雜散損耗、降低電動機的振動與噪聲。為便于裝配其氣隙長度一般要比同規格感應電動機的氣隙大。氣隙長度的增大，不僅可以減小定、轉子漏抗和電機同步電抗，提高平均異步轉矩和同步轉矩，改善電機起動性能，還可以提高電動機的失步轉矩倍數，增強其過載能力。但氣隙長度增大的同時，磁路的磁阻也急劇增加，使得漏磁增大，永磁材料的利用率降低。

1.3 轉子磁路結構的選擇

轉子的磁路結構主要根據電動機磁負荷以及轉子沖片的空間來確定，在滿足機械強度要求的前提下，合理的控制漏磁以提高永磁材料的利用率，同時保證永磁體不發生不可逆退磁。

由于表面式轉子磁路結構的轉子表面無法安放起動繞組，無異步起動能力，因此必須選擇內置式轉子磁路結構。根據轉子的內部空間情況，徑向式結構不能放置足夠的永磁體，內置切向式結構和內置混合式結構永磁體放置能力依次提高，但加工工藝難度也隨之提高。內置混合式結構可以放置最大量的永磁體，適用于轉子空間相對較為緊張的電動機[2-3]。

1.4 永磁體的設計

永磁體的尺寸除影響電動機的運行性能外，還影響著電動機中的漏磁因數，從而也決定了永磁體的利用率。其主要尺寸有3個：軸向長度LM、磁化方向長度hM和寬度bM。軸向長度LM一般取與電動機鐵心軸向長度相等或者稍小于鐵心軸向長度；寬度bM是提供總磁通的長度，是決定電動機磁負荷的主要因素；磁化方向長度hM主要影響永磁體的工作點，使永磁體有足夠能量不致退磁，且影響轉子部分磁路的電抗，進而影響電機的整體性能。三者的大小以及比例關系等也將直接影響到永磁體材料的生產和加工的難易程度，因此一定要保證永磁體設計的合理性。

1.5 轉子槽形的選擇

轉子槽形種類很多，他不僅是影響永磁同步電動機的起動性能及牽入同步能力的關鍵因素，也是永磁同步電動機極間漏磁的主要途徑。閉口槽工藝簡單，又可降低電動機的雜散損耗，但是轉子漏抗大，極間漏磁增大；開口槽轉子漏抗小，極間漏磁減小，但是沖模制造復雜，電動機的雜散損耗增大。轉子槽淺而寬，相鄰兩極之間的齒部空間小、磁阻大，漏磁較?。晦D子槽深而窄，相鄰兩極之間的齒部空間大、磁阻小，漏磁較大。

從起動和牽入同步兩方面考慮：在s=1時，要使轉子從靜止加速轉動起來，應具有較大的轉矩，即要求有較大的轉子電阻和較小的定、轉子漏抗；在s趨近0時，要順利的牽入同步，也應具有較大的轉矩，又要求有較小的轉子電阻。因此，轉子的導條面積要足夠大，且選用的槽型應能形成較為顯著的集膚效應。對于鑄鋁鼠籠，可選用凸形槽、刀形槽；對于銅條鼠籠，可選用矩形槽。

2 方案設計

2.1 沖片結構初步方案

轉子磁路結構為內置混合式結構，為了保持原通風架構、保證散熱效果，轉子軸向需要開有足夠面積的通風孔，初步設計轉子沖片如圖1所示。

圖1 轉子沖片結構圖

永磁體槽占據絕大部分轉子沖片，其面積大于永磁體所需空間，剩余面積也可用作軸向通風。軸向通風孔只能開在“W”形永磁體槽的中間部位，其大小、位置對外磁路有很大的影響。

2.2 方案調整

在基本方案的基礎之上，進一步調整永磁體的各關鍵尺寸，以期達到提高性能、節省材料的目的。方案調整對比對電機性能影響見表1。

表1 永磁體結構參數對電機性能影響對比表

合理的減小轉子漏抗可以提高永磁電動機的異步轉矩，改善電機的起動性能，使其具有較為合理的T-s曲線。因此在保證電動機具有良好的起動性能和牽入同步能力的同時，需合理調整轉子槽形尺寸，其對比關系見表2。

表2 轉子槽型結構參數對電機性能影響對比表

本設計方案中的隔磁結構主要分布在永磁體槽之間及永磁體槽與轉子鼠籠槽之間。為了保證沖片的機械強度和沖模的使用壽命，隔磁磁橋的長度均選為1.5 mm，為了更好控制漏磁，應在沖片機械強度允許的情況下盡量增加隔磁磁橋的寬度。

在轉子槽槽底與切向永磁體槽間的隔磁磁橋處，由于永磁體槽寬度較大，隔磁磁橋寬度主要由轉子槽底寬度決定，而轉子槽底寬度首先要滿足電動機的起動性能，因此此處不再優化。而切向永磁體槽與徑向永磁體槽間的隔磁磁橋處，徑向永磁體槽尺寸較小，隔磁磁橋寬度主要受其限制。經電磁場計算，得出數據如表3所示，最終選定隔磁磁橋寬度為10 mm。

表3 隔磁磁橋寬度對空載漏磁因數影響對比表

2.3 有限元分析與驗證

運用有限元軟件進行二維電磁場分析和計算，得出磁力線分布如圖2所示，相空載反電動勢波形如圖3所示。

圖2 磁力線分布圖

圖3 相反電動勢波形圖

經二維電磁場計算可得出空載漏磁因數約為1.28，考慮端部漏磁及制造工藝的影響，電動機實際的空載漏磁系數應在1.32～1.42之間，本方案所選取的空載漏磁系數為1.38，在合理的范圍之內。

2.4 改造效果對比及成本分析

改造前后的電機不同負載率下的主要性能指標對比如表4所示，永磁電動機效率和功率因數都有一定提升。但是由于原感應電機的性能指標相對較高，效率提升幅度并不明顯，而低負載率時的功率因數提升幅度較大。

表4 主要性能指標對比表

由于永磁同步電動機需要在轉子內部嵌入永磁體，材料成本和加工成本都較普通的感應電動機有所增加。每臺的永磁體用量約為107 kg，市價約合2萬元左右，再加上轉子沖片等的加工成本，每臺電機的綜合改造成本在3萬元左右。

3 結論

原Y450-4 630 kW感應電動機屬Y系列中型高壓三相感應電動機，是目前國內中型高壓電機的主導產品，其性能指標較高，轉子細長，內部空間有限，因此改造設計有一定困難。改造方案永磁體用量較大，改造成本也較高，改造后的永磁同步電動機效率和功率因數都有一定的提高，長期運行將有較好的節能效果，尤其是在低負載率運行時功率因數提升幅度較大，將會大幅減少無功消耗。