低壓永磁同步電動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分析

(國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)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(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方便獲得越來越廣泛的應(yīng)用外，稀土永磁電機(jī)的研究開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的階段。

永磁同步電動(dòng)機(jī)也由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，也采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗，轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實(shí)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(jī)的氣隙大小是一個(gè)非常重要的尺寸，盡管它對(duì)這類電動(dòng)機(jī)的無功電流的影響不如對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)敏感，但是它對(duì)電動(dòng)機(jī)的交、直軸電抗影響很大，進(jìn)而影響到電動(dòng)機(jī)的其它性能。而且，氣隙的大小還對(duì)電動(dòng)機(jī)的裝配工藝和電動(dòng)機(jī)的雜散損耗有著較大的影響。永磁同步電動(dòng)機(jī)與其他電機(jī)最主要的區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場(chǎng)所也不同。按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一般可分為三種：表面式、內(nèi)置式和爪極式。

1 結(jié)構(gòu)分類

1.1 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片型，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，永磁體提供磁路的方向?yàn)閺较?，且永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間一般僅套以起保護(hù)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(hù)作用。

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

1.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

這類結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間(對(duì)外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)則為永磁體內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓之間)有鐵磁物質(zhì)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(dòng)作用，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)散。

按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。

1.3 爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)帶爪的法蘭盤和一個(gè)圓環(huán)形的永磁體構(gòu)成。左右法蘭盤的爪數(shù)相同，且兩者的爪極相互錯(cuò)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(cuò)開的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極。爪極式結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能較低，實(shí)際生產(chǎn)中較少使用。

2 性能分析

我們利用Ansoft計(jì)算軟件對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，以55kW- 4電機(jī)為例，分析了自起動(dòng)和變頻起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。

2.1 自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)

2.1.1 結(jié)合Ansoft計(jì)算軟件，我們對(duì)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)中的“一”字型、“V”字型、“W”型以及“U”型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析，分別得出永磁同步電動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷、空載反電勢(shì)、失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)參數(shù)、起動(dòng)參數(shù)以及齒槽轉(zhuǎn)矩等性能數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 性能分析

通過結(jié)果對(duì)比分析我們可知：“W”型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)溫升以及過載能力強(qiáng)但起動(dòng)性能較差、齒槽轉(zhuǎn)矩較大；“U”型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)起動(dòng)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(duì)于自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)來說“V”字型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)更好。

2.1.2 接下來我們對(duì)“V”字型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析，在其余參數(shù)保持不變的情況下，分別對(duì)氣隙大小、“V”型夾角大小以及起動(dòng)籠的形狀進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論。

當(dāng)氣隙大小逐漸增加時(shí)，電機(jī)的空載反電勢(shì)越來越小，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩先是減小但隨后又增加，故在氣隙達(dá)到2倍同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)氣隙時(shí)，電機(jī)性能較為優(yōu)良；由分析可知，當(dāng)“V”型夾角即同一極下的兩塊磁鋼所呈夾角角度過小時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)無法啟動(dòng)，但當(dāng)夾角越大時(shí)所需起動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，故“V”型夾角應(yīng)在100°～150°之間，此時(shí)性能較好且在工藝上便于鑲嵌磁鋼；對(duì)比矩形起動(dòng)籠和圓形起動(dòng)籠永磁電動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)結(jié)果可知，矩形起動(dòng)籠永磁電動(dòng)機(jī)性能略好于圓形起動(dòng)籠永磁電動(dòng)機(jī)，但是矩形起動(dòng)籠對(duì)沖片模具耗損較大，使用年限不如圓形起動(dòng)籠模具，故優(yōu)先考慮圓形起動(dòng)籠。

2.2 變頻起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)

2.2.1 同樣結(jié)合Ansoft計(jì)算軟件，我們對(duì)變頻起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)中的“V”字型和表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析，而且我們已知變頻起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏心有利于消除諧波和大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，故本文直接分析“V”字型和表貼式兩種典型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)偏心后的性能分析，分別得出永磁同步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)、電密、熱負(fù)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(shì)以及失步轉(zhuǎn)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(duì)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(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)在工藝上非常難加工實(shí)現(xiàn)，故綜合考慮，“V”字型比表貼式更實(shí)際、更優(yōu)良。

2.2.2 接下來我們對(duì)“V”字型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析，在其余參數(shù)保持不變的情況下，分別對(duì)偏心距大小以及永磁體槽型進(jìn)行圓角處理進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論。

當(dāng)我們觀察磁密云圖時(shí)發(fā)現(xiàn)，永磁體槽型的尖角處有磁密過高的情況，當(dāng)將尖角改為圓角后，一方面，此處的磁密大大降低，而且電機(jī)的性能沒有變化，使得電機(jī)整體性能更加優(yōu)良。另一方面，對(duì)于轉(zhuǎn)子沖片模具來說，圓角比尖角更能延長(zhǎng)模具的使用壽命；偏心圓圓心和整個(gè)圖形圓心相差的距離為偏心距，我們已知轉(zhuǎn)子偏心可以很好的消除諧波的影響，當(dāng)偏心距越大時(shí)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩越小，空載反電勢(shì)越大，但同時(shí)，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(jié)語

本文以55kW-4電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，利用Ansoft計(jì)算軟件計(jì)算出電機(jī)的效率、功率因數(shù)、失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩以及空載反電勢(shì)等永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析對(duì)比，更好的了解了轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的影響，對(duì)今后永磁同步電動(dòng)機(jī)選擇轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)類型和優(yōu)化時(shí)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。