自起動(dòng)永磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究*

宋中陽(yáng)， 劉明基， 李和明， 陳偉華

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206;2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比，自起動(dòng)永磁同步電機(jī)(Line-Start Permenent Magnet Sycchronoys Motor，LSPMSM)具有功率因數(shù)高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為高效甚至超高效節(jié)能電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向，因此得到越來(lái)越多的重視和研究［1］。自起動(dòng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一是磁路結(jié)構(gòu)的選擇，即轉(zhuǎn)子永磁體的放置方式。由于永磁體通常放置在轉(zhuǎn)子上，其形狀、尺寸及放置方式影響到永磁體用量、氣隙磁密乃至電機(jī)的性能。根據(jù)永磁體放置的位置不同，分為表面式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。但表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的起動(dòng)導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生的異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，僅適合于起動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合，對(duì)起動(dòng)性能要求較高的自起動(dòng)永磁電機(jī)多采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和串并混聯(lián)式。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)電樞反應(yīng)程度不同，造成運(yùn)行性能的不同，目前已較少采用［2-3］。因此關(guān)于自起動(dòng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的研究多集中在串聯(lián)式和串并混聯(lián)式結(jié)構(gòu)上。文獻(xiàn)［4］研究了在保證其他各種參數(shù)不變的前提下永磁體嵌放深度對(duì)LSPMSM運(yùn)行性能的影響。文獻(xiàn)［5］計(jì)算分析了串聯(lián)式U型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)的隔磁措施對(duì)極間漏磁系數(shù)的影響。Kazumi Kurihara設(shè)計(jì)了切向磁路結(jié)構(gòu)的PMSM，并用時(shí)步有限元方法研究了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和過(guò)渡過(guò)程的性能［6］。文獻(xiàn)［7］分別對(duì)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中的 U型、W型永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用場(chǎng)－路結(jié)合的方法計(jì)算了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)參數(shù)，并對(duì)兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的起動(dòng)性能仿真，分析了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)PMSM性能的影響。文獻(xiàn)［8］計(jì)算了U型、W型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電抗參數(shù)，并給出了電抗參數(shù)隨氣隙長(zhǎng)度、永磁體磁化長(zhǎng)度及隔磁橋尺寸變化的規(guī)律。在文獻(xiàn)［9］中，作者提出了一種內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu)的可控磁通PMSM。但是對(duì)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)和串并混合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究的文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。

本文對(duì)采用V型、U型及混合型三種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的6極22 kW LSPMSM進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了3臺(tái)電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)，并利用時(shí)步有限元程序?qū)θN結(jié)構(gòu)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程分別進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)LSPMSM性能的影響。

1 轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計(jì)

本文研究的三種不同磁路結(jié)構(gòu)的PMSM除轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同外，其他結(jié)構(gòu)及尺寸都相同。定子部分采用異步電機(jī)Y200L2-6定子尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。三種磁路結(jié)構(gòu)的PMSM轉(zhuǎn)子永磁體分別采用V型、U型及混合型布置，其截面示意圖如圖1所示。

為了使三種結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的空載氣隙基波磁密相等，在保證轉(zhuǎn)子槽和永磁體間的隔磁磁橋長(zhǎng)度及寬度相同的情況下，可以調(diào)整V、U及混合型永磁體的尺寸。因此，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體的磁化方向長(zhǎng)度和寬度均不完全一樣，從而使得PMSM的參數(shù)和性能也隨之改變。

表1 LSPMSM的主要參數(shù)

圖1 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)LSPMSM截面示意圖

2 空載磁場(chǎng)分析

ANSYS是當(dāng)前使用廣泛、功能強(qiáng)大的有限元軟件之一。本文利用ANSYS軟件，分別建立了V型、U型及混合型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的LSPMSM的二維有限元模型，對(duì)空載氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)磁密波形進(jìn)行了諧波分析，得到氣隙磁密的計(jì)算結(jié)果如表2所示，氣隙磁密基波及各次諧波幅值如圖2所示。

可以看出，V型結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波含量最少，而混合型結(jié)構(gòu)的氣隙磁場(chǎng)含有最豐富的諧波，諧波含量高達(dá)36.74%，這會(huì)導(dǎo)致永磁電機(jī)中含有比較大的諧波電勢(shì)和諧波電流，并引起電機(jī)鐵心損耗的增大及振動(dòng)噪聲。

表2 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)空載磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖2 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)空載氣隙磁密基波及諧波的分析對(duì)比

三種結(jié)構(gòu)的永磁體用量如表3所示。

表3 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁體用量

在電機(jī)空載氣隙基波磁密相等的條件下，混合型結(jié)構(gòu)磁鋼用量最少，V型結(jié)構(gòu)和U型結(jié)構(gòu)的用量分別比其多14.38%和31.99%，這是因?yàn)榛旌闲徒Y(jié)構(gòu)的空載漏磁系數(shù)最小，U型結(jié)構(gòu)的最大，可從表1看出。由此可知，混合型結(jié)構(gòu)的永磁體利用率最高，U型結(jié)構(gòu)最低。

3 空載電動(dòng)勢(shì)分析

內(nèi)置式LSPMSM由于交直軸磁路結(jié)構(gòu)的不同，其使交直軸磁阻不相等，表現(xiàn)出明顯的凸極效應(yīng)。根據(jù)雙反應(yīng)理論寫出的PMSM電壓方程為［1］

對(duì)于LSPMSM，通常保持永磁勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0小于并接近于UN，以獲得接近于1的功率因數(shù)，并且E0滿足這一要求還可使PMSM在不同負(fù)載下效率都比較高，獲得較寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍［1，3］，E0值過(guò)高會(huì)造成永磁體浪費(fèi)。

利用時(shí)步有限元方法求得的三種不同磁路結(jié)構(gòu)PMSM的空載電動(dòng)勢(shì)波形如圖3所示。

圖3 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)波形圖

V型、U型、混合型結(jié)構(gòu)的反電勢(shì)基波幅值分別為304.833 V、305.717 V及307.882 V，反電勢(shì)總諧波含量分別為9.32%、10.75%及14.85%，各次諧波含量如圖4所示。由以上可知，混合型結(jié)構(gòu)的反電勢(shì)基波幅值最接近于額定電壓，有益于電機(jī)獲得較寬的運(yùn)行范圍;V型結(jié)構(gòu)的反電勢(shì)波形正弦度最好，可降低由諧波電勢(shì)引起諧波電流進(jìn)而產(chǎn)生的波動(dòng)力矩。

圖4 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)空載反電勢(shì)諧波對(duì)比

4 PMSM起動(dòng)過(guò)程的仿真

為了分析不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)起動(dòng)性能的影響，本文采用了時(shí)步有限元法［10-12］對(duì)LSPMSM的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真。有限元剖分的精度和時(shí)間步長(zhǎng)的選擇會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，根據(jù)多次計(jì)算所得的經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)的剖分精度在ANSYS中取5，時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 1 s較為合適。三種不同磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)額定負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖5 不同磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)額定負(fù)載起動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線

從圖5可看出，V型結(jié)構(gòu)和U型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速曲線上升趨勢(shì)基本一致，而混合型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速曲線的上升趨勢(shì)與兩者有略微差別。混合型結(jié)構(gòu)電機(jī)異步起動(dòng)時(shí)在0.58 s處超過(guò)同步速，達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 024 r/min，在0.8 s時(shí)牽入同步轉(zhuǎn)速;V型結(jié)構(gòu)也在0.58 s處超過(guò)同步速，達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 056 r/min，在0.89 s時(shí)牽入同步轉(zhuǎn)速;U型結(jié)構(gòu)在0.6 s處超過(guò)同步速，達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 045 r/min，在0.93 s時(shí)牽入同步轉(zhuǎn)速。三種結(jié)構(gòu)電機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)如表4所示。

表4 不同磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

同時(shí)運(yùn)用時(shí)步有限元方法計(jì)算了額定負(fù)載下電機(jī)牽入同步后的力矩波動(dòng)，如圖6所示，其中V型、U型、混合型的力矩波動(dòng)分別為額定轉(zhuǎn)矩的±15.6%、±18.5%及±17.3%。

圖6 不同磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)

由以上分析可知，混合型結(jié)構(gòu)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程最平滑、超調(diào)時(shí)間最短、牽入能力最好，而且起動(dòng)電流倍數(shù)最小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)最大，是三者中起動(dòng)性能最優(yōu)秀的，并且磁鋼用量最少，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)次之。當(dāng)電機(jī)牽入同步速后，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的力矩波動(dòng)最小，有利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行及降低電機(jī)噪聲。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)6極22 kW LSPMSM的V型、U型及混合型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，采用時(shí)步有限元方法對(duì)電機(jī)的空載磁場(chǎng)、空載電動(dòng)勢(shì)及起動(dòng)性能進(jìn)行了對(duì)比研究，得出結(jié)論:不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)永磁電機(jī)的空載氣隙磁場(chǎng)、空載電動(dòng)勢(shì)、磁鋼用量、起動(dòng)性能、力矩波動(dòng)等性能產(chǎn)生影響，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合需要慎重選擇。

(1)若要求電機(jī)具有較高的起動(dòng)性能及牽入能力，可采用混合型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還有永磁體利用率高的優(yōu)點(diǎn)，但以增加損耗、運(yùn)行噪聲大為代價(jià)。

(2)若要求電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、噪聲小、損耗小，可采用V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但其永磁體用量多于混合型結(jié)構(gòu)，并且起動(dòng)性能劣于混合型結(jié)構(gòu)。

永磁電機(jī)定子斜槽時(shí)會(huì)顯著改善電機(jī)的力矩波動(dòng)，因此定子斜槽時(shí)不同磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的起動(dòng)及穩(wěn)態(tài)性能對(duì)比成為進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容。

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