異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用問題研究

黃 敏

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 安徽 六安 237158）

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的退磁現(xiàn)象，主要發(fā)生在電動(dòng)機(jī)的工作過程中，空轉(zhuǎn)速度較高、大電流、磁場(chǎng)干擾、高溫或劇烈振動(dòng)的情況下，都會(huì)使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)不可逆的退磁現(xiàn)象。有限元法是解決電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)轉(zhuǎn)問題的主要方案，在電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩波形、軟件性能優(yōu)化方面，有著較為突出的作用。

1.異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁與堵轉(zhuǎn)力矩原因分析

1.1 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁原因分析

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的退磁，大致可分為以下幾方面因素：

(1)外加磁場(chǎng)作用：低溫環(huán)境下釹鐵硼永磁材料的退磁現(xiàn)象不明顯，外加磁場(chǎng)作用也不能對(duì)其產(chǎn)生較大影響。高溫環(huán)境中，由于釹鐵硼永磁材料的溫度系數(shù)較低，因此其退磁現(xiàn)象非常迅速明顯，往往呈現(xiàn)出弧形曲線下降趨勢(shì)。(2)振動(dòng)退磁：異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在工作中，會(huì)由于劇烈振動(dòng)引起內(nèi)部磁疇鐵磁體材料的區(qū)域小型磁化現(xiàn)象。電機(jī)在堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)過程中，快速加壓、變頻供電，也會(huì)引發(fā)永磁體的退磁情況。(3)化學(xué)因素：釹鐵硼永磁體中含有大量釹、鐵元素，釹、鐵會(huì)在空氣的作用下，與H、O 及其他化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)，腐蝕后的永磁體的退磁現(xiàn)象嚴(yán)重。(4)失步運(yùn)行：在電動(dòng)機(jī)通電頻率過高、負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大電流現(xiàn)象，大電流的出現(xiàn)必然導(dǎo)致磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致磁體的退磁現(xiàn)象[1]。

1.2 堵轉(zhuǎn)力矩的構(gòu)成及產(chǎn)生原因分析

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體材料，由于永磁體磁介質(zhì)磁性、磁通阻力較大，因此轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的閉合回路呈現(xiàn)不對(duì)稱分布，交流磁場(chǎng)的磁通阻力小于直流磁場(chǎng)。除此外轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子線匝、轉(zhuǎn)軸、空氣槽等的影響，也會(huì)造成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的閉合回路的不對(duì)稱。

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，瞬時(shí)輸出力矩隨時(shí)間不斷變化，但卻圍繞平均值上下變動(dòng)，這種現(xiàn)象稱之為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大拖動(dòng)負(fù)載，其速度穩(wěn)定性就低，電機(jī)能耗也會(huì)顯著增加?；ハ啾３趾愣P(guān)系轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩，相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的力矩較大，磁場(chǎng)作用不穩(wěn)定。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，恒定轉(zhuǎn)子在互相對(duì)稱的額定扭矩頻率電流中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相同速度的某一方向磁場(chǎng)，恒定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)、實(shí)心轉(zhuǎn)子、三相異步導(dǎo)條呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)心轉(zhuǎn)子、三相異步導(dǎo)條與磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生額定扭矩頻率渦電流引。對(duì)于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)而言，互為相反方向磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最大。

2.永磁電機(jī)磁場(chǎng)分布的磁場(chǎng)有限元分析法

磁場(chǎng)有限元法能夠精確的分析出永磁體中的磁體密度，還可以對(duì)永磁體退磁趨勢(shì)做出準(zhǔn)確分析。但其需要計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，不能作為主要的磁場(chǎng)退磁檢測(cè)方式。在大電流、高溫的工作環(huán)境下，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，此時(shí)要適時(shí)調(diào)整恒定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)以防止退磁，還要對(duì)轉(zhuǎn)子沖片磁橋與鐵心，使用梯度下降法和一系列確定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整。本研究對(duì) “橫杠型”、“剪刀手型”、“雙層永磁陣列”進(jìn)行分析，根據(jù)不同的工作情況得出差異較大的退磁結(jié)果。恒定轉(zhuǎn)子線匝直接連接電源正負(fù)兩極的情況下，“剪刀手型”結(jié)構(gòu)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁現(xiàn)象最嚴(yán)重。在相反磁場(chǎng)作用的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況下，“橫杠型”結(jié)構(gòu)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁現(xiàn)象最嚴(yán)重[2]。研究表明：通過控制永磁體上的磁場(chǎng)干擾降低能量消耗，從而降低磁體的表面溫度，減輕磁體的退磁效果。

3.起動(dòng)與失步情況下異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁分析

3.1 起動(dòng)過程中永磁體退磁規(guī)律研究

異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同的起動(dòng)前提下，會(huì)產(chǎn)生不同的退磁現(xiàn)象。恒定轉(zhuǎn)子在恒定電壓與電源頻率的情況下，會(huì)受到轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的影響。在剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性下，輸出為高電平時(shí)，樣機(jī)在轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下分別輸出懸空的轉(zhuǎn)速曲線和最小工作點(diǎn)變化曲線；輸出為接用電器時(shí)，樣機(jī)分別輸出帶額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線和最小工作點(diǎn)變化曲線。異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的速度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，到達(dá)一定時(shí)間后即會(huì)保持穩(wěn)定；對(duì)于異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)最小工作點(diǎn)而言，其呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)子速度保持恒定后，最小工作點(diǎn)也會(huì)趨于穩(wěn)定。所以異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)下，永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)先下降后上升最后保持穩(wěn)定的形態(tài)。在電路負(fù)載的情況下，異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、最小工作點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，退磁后的磁感應(yīng)強(qiáng)度也明顯低于高電平起動(dòng)。

起動(dòng)過程中，若恒定轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)保持穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度越接近，則永磁體退磁的現(xiàn)象就越嚴(yán)重。在額定電壓、頻率、額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、恒定轉(zhuǎn)子初始位置都不相同時(shí)，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、退磁后磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變。轉(zhuǎn)矩、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性越大，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)，退磁現(xiàn)象也越嚴(yán)重。

3.2 電機(jī)失步運(yùn)行時(shí)永磁體的退磁情況分析

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)電源兩端電子元件逐漸增多過程中，環(huán)路電流會(huì)隨之明顯增大，電路中磁場(chǎng)也會(huì)迅速增大。永磁體在負(fù)載加大的情況下，恒定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)明顯下降，退磁現(xiàn)象也更嚴(yán)重。

在異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，對(duì)其增加2 倍甚至數(shù)倍的電子元件，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與、最小工作點(diǎn)數(shù)值的改變。實(shí)驗(yàn)表明： 分別對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)增加2、4、6 倍的電子元件，2倍負(fù)載條件下，永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)在一系列變化后，逐漸趨于穩(wěn)定；最小工作點(diǎn)數(shù)值會(huì)隨著負(fù)載增加顯著下降，最后也會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。4倍負(fù)載條件下，永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的弧形波動(dòng)，最小工作點(diǎn)數(shù)值也會(huì)呈現(xiàn)弧形波動(dòng)。6 倍及以上負(fù)載條件下，永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)產(chǎn)生線性下降，且不會(huì)再最后趨于穩(wěn)定，最小工作點(diǎn)數(shù)值也會(huì)呈現(xiàn)弧形波動(dòng)，且波動(dòng)的幅度會(huì)越來越小。

4.永磁體、實(shí)心轉(zhuǎn)子、鼠籠對(duì)堵轉(zhuǎn)性能的影晌

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包含永磁體、實(shí)心轉(zhuǎn)子、鼠籠三種元件，通過創(chuàng)建原型模型、實(shí)心-疊片軸向模型、鼠籠分離模型、永磁體分離模型等多種模型，可對(duì)堵轉(zhuǎn)穩(wěn)定后波形分析。

原型模型堵轉(zhuǎn)力矩TK 的瞬時(shí)最大絕對(duì)值最大、力矩最大，以額定扭矩頻率為變化周期。永磁體模型堵轉(zhuǎn)力矩TK 呈現(xiàn)額定頻率的變化周期，無永磁體模型堵轉(zhuǎn)力矩呈現(xiàn)2 倍額定頻率的變化周期。這表明電機(jī)扭矩頻率瞬時(shí)輸出力矩隨時(shí)間的不斷變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)力矩的不穩(wěn)定現(xiàn)象[3]。

在疊片替代實(shí)心的軸向模型中，線圈中感應(yīng)電流對(duì)轉(zhuǎn)子的影響可以忽略不計(jì)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的恒定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與逆時(shí)針恒定轉(zhuǎn)子額定扭矩頻率磁場(chǎng)的作用，同步速逆時(shí)針異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)與順時(shí)針異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的作用，也會(huì)對(duì)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大影響。鼠籠分離模型：順時(shí)針或逆時(shí)針電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)，與實(shí)心轉(zhuǎn)子線圈感應(yīng)電流的作用，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)恒定轉(zhuǎn)矩。鼠籠分離模型的堵轉(zhuǎn)力矩TK，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于疊片替代實(shí)心的軸向模型，也以額定扭矩頻率為變化周期。

5.異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁與堵轉(zhuǎn)力矩解決方案

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中電源負(fù)載的增加，會(huì)造成永磁體磁感應(yīng)后退磁數(shù)值的降低。但這種退磁數(shù)值降低的百分比較小，且不受到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)負(fù)載的影響。對(duì)于起步、失步、超同步三種情況的退磁現(xiàn)象，可以通過以下方案進(jìn)行處理：異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起步過程中，應(yīng)緩慢增加電源兩端負(fù)載，直至電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與最小工作點(diǎn)趨于穩(wěn)定。在負(fù)載力矩呈現(xiàn)顯著變化過程中，其最大、最小值的絕對(duì)值變化，導(dǎo)致退磁最大、最小值的V 型運(yùn)動(dòng)軌跡。失步過程中，應(yīng)有效控制電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使其絕對(duì)值控制在較高范圍內(nèi)，則磁感應(yīng)后電動(dòng)機(jī)退磁數(shù)值就會(huì)保持在較高水平。對(duì)于超同步的負(fù)載電動(dòng)機(jī)現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)永磁體退磁最大、最小值也呈現(xiàn)V 型運(yùn)動(dòng)軌跡變化。因此超同步負(fù)載電動(dòng)機(jī)應(yīng)對(duì)電源負(fù)載、電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩兩方面進(jìn)行控制，首先降低電源負(fù)載，再對(duì)永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)力矩TK 控制在1.5 倍的范圍內(nèi)。

在對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓的調(diào)節(jié)過程中，探究堵轉(zhuǎn)力矩的有效解決方案。從具體實(shí)驗(yàn)得出：電壓上升會(huì)導(dǎo)致回路電流、功率的上升，從而造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩的增大，以上變量呈現(xiàn)較為一致的弧度增減。

在異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)0.5 倍負(fù)載前提下，逐漸減小樣機(jī)負(fù)載。利用公式：cosφ=P1/√U1I1η=P2/P1×100%計(jì)算得出，仿真過程中的溫度、機(jī)械損耗無法人為進(jìn)行干預(yù)，導(dǎo)致最終仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差。電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的顯著提升，能夠有效縮小仿真堵轉(zhuǎn)力矩與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差距，而負(fù)載率的降低會(huì)使仿真結(jié)果發(fā)生較大變化，低的電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，也會(huì)使其對(duì)外界環(huán)境的變化更加敏感。因此對(duì)于堵轉(zhuǎn)力矩的變化而言，將電機(jī)負(fù)載控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，有利于電動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮。

6.結(jié)語

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，會(huì)由于溫度、電流、起步與失步中的電源負(fù)載影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的退磁現(xiàn)象。電動(dòng)機(jī)存在的氣隙長(zhǎng)度、不均勻程度問題，永磁體和恒定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)子電機(jī)槽楔、有電網(wǎng)牽入同步等問題，都可運(yùn)用連續(xù)求解域離散有限元法分析模式給出電動(dòng)機(jī)退磁或堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)的解決思路。將電動(dòng)機(jī)溫度、電源負(fù)載、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等因素控制在合理范圍內(nèi)，能夠有效解決電動(dòng)機(jī)的永磁體退磁現(xiàn)象與堵轉(zhuǎn)力矩問題。