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        基于Maxwell 2D自起動單相永磁同步電動機的設計分析

        2014-05-29 07:00:08沈輝玲
        電氣技術(shù) 2014年3期
        關鍵詞:磁密單相氣隙

        沈輝玲 林 珍

        (福州大學電氣工程與自動化學院,福州 350108)

        自起動單相永磁同步電動機是一種新型高性能的單相驅(qū)動電機,在家用電器等領域具有廣泛的應用前景。其由單相交流電源供電,電機異步起動,同步運行。本文研究的是一臺 220V、2.2kW、1500r/min 自起動單相永磁同步電動機。在Maxwell 2D 建立了該電機的仿真模型,對電機的磁力線、磁密、空載反電勢、起動過程、齒槽轉(zhuǎn)矩等進行仿真分析,通過樣機性能測試,驗證了電磁設計與仿真分析的正確性。

        1 自起動單相永磁同步電動機的電磁設計

        電磁設計的基本思路是:由技術(shù)參數(shù)和性能要求確定定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);由性能要求和散熱條件確定電負荷A;由轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和稀土永磁性能確定磁負荷Bδ;最后根據(jù)電磁負荷確定自起動單相永磁同步電動機的基本尺寸D、Lef。電磁設計的流程圖如圖1所示。

        考慮到產(chǎn)品的通用性和開發(fā)的經(jīng)濟性,樣機選用單相異步電動機YL100L1-4 的定子沖片??紤]到諧波對電機運行性能的影響,采用正弦繞組,運轉(zhuǎn)型式為電容起動、電容運轉(zhuǎn)的雙值電容單相永磁電動機。鑒于原單相異步電動機轉(zhuǎn)子外徑較小,為了提高電機的氣隙磁密,樣機選用內(nèi)置混合式磁路結(jié)構(gòu),如圖2所示。永磁體的軸向長度LM一般由鐵心長度確定,磁化方向長度hM和寬度bM應根據(jù)電機的運行性能合理設計。氣隙長度δ的設計一般要比同規(guī)格感應電動機的氣隙略大20%~30%。電容器的配置使電機盡可能在圓形旋轉(zhuǎn)磁場下起動和運行,使之有良好的起動和運行性能?;谝陨系姆治觯疚姆治鲈O計的自起動單相永磁同步電動機主要參數(shù)見表1。

        圖1 電磁設計流程圖

        表1 樣機主要參數(shù)表

        2 樣機有限元分析

        2.1 電機的數(shù)學模型

        電機電磁場分析問題實際是求解給定邊界條件下的Maxwell 方程組的問題。為簡化分析,在求解電磁場時作如下假設:

        1)電樞部分磁場呈二維分布,端部效應由電機繞組的端部漏電感計及。

        2)材料各向同性,忽略鐵磁材料的磁滯效應。

        3)忽略定轉(zhuǎn)子疊片鐵心和源電流區(qū)的渦流效應及位移電流。

        4)永磁材料用等效面電流模擬。

        5)電機機殼外部和轉(zhuǎn)軸磁場忽略不計。

        6)端環(huán)的影響由端環(huán)電阻和端環(huán)漏抗計及。

        取磁矢位A為求解量,電機內(nèi)的電磁場可用以下數(shù)學模型來表達:

        式中,Ω為求解區(qū)域;Γ1為電機定子外圓和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓邊界;Γ2為永磁體邊界;Jz為外加軸向電流密度;Je為轉(zhuǎn)子渦流密度;Js為永磁體邊界等效面電流密度;μ為磁導率。

        2.2 仿真模型的建立

        由于本電機的特殊性,在Ansoft 軟件的RMxprt模塊中不能設計該類型的電機,無法直接生成Maxwell 2D 模型,因此樣機模型需自行在Maxwell 2D 模塊中設計和建立。具體建模過程如下:

        1)確定求解器——瞬態(tài)求解器。

        2)根據(jù)參數(shù)畫出樣機的模型。

        3)設定材料屬性,指定磁極的磁化方向。

        4)設置邊界條件、繞組激勵源及有限元分析的網(wǎng)格剖分。

        5)確定運動邊界(Band)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、負載、求解時間等。

        完成以上步驟,得到自起動單相永磁同步電動機的模型如圖2所示。

        圖2 自起動單相永磁同步電動機的模型

        2.3 仿真模型的有限元分析

        1)空載特性分析

        空載特性是電機的基本特性之一,通過空載特性可知電機磁路設計是否合理。圖3和圖4分別是電機在初始時刻的空載磁力線分布圖和空載磁密分布圖。從圖中可以看出,永磁體產(chǎn)生的磁通分為主磁通和漏磁通。主磁通通過氣隙參與能量轉(zhuǎn)換,漏磁通通過漏磁路而閉合。每對極的磁路由主磁路和漏磁路并聯(lián)組成。電機空載主磁場分布比較均勻,漏磁較少。電機只在靠近永磁體附近有些許飽和,飽和區(qū)域非常小。經(jīng)后處理得到,電機的定子齒磁密Bt1和定子軛磁密Bj1、轉(zhuǎn)子齒磁密Bt2和轉(zhuǎn)子軛磁密Bj2、氣隙平均磁密Bδav和氣隙最大磁密Bδ值如表2所示。從中可得出,整個電機磁密都在合理范圍內(nèi),說明電機設計比較合理。

        表2 空載磁密值(單位/T)

        一對極下,通過徑向式永磁體和切向式永磁體的磁通分別為Φ1=0.009916wb、Φ2=0.02399wb,通過定子鐵心的磁通為Φδ=0.02537wb,則空載漏磁系數(shù):

        圖3 空載磁力線分布圖

        圖4 空載磁密分布圖

        空載氣隙磁密如圖5所示,該圖是整個氣隙圓周磁密隨位置變化的分布圖,氣隙磁密為平頂波,波頂有波動現(xiàn)象是由于齒槽效應引起的,定子開口槽與永磁體相互作用,并隨著空間位置周期性的變化而形成的。根據(jù)表2,得到計算極弧系數(shù),即

        圖5 空載氣隙磁密分布圖

        對氣隙磁密進行諧波分析,如圖6、圖7所示,諧波分析后得到氣隙基波及3、5、7 次諧波磁密分別為:Bδ1=0.8136T,Bδ3=0.2455T、Bδ5= 0.1371T、Bδ7= 0.1061T,其他高次諧波含量相對較少,為了提高電機感應電勢的正弦度,設計中可通過正弦波繞組、分布繞組、轉(zhuǎn)子斜槽削弱氣隙磁密的高次諧波,尤其是3、5、7 次諧波。

        圖6 空載氣隙磁密諧波分解

        圖7 空載氣隙磁密諧波含量

        圖8為主、副相空載反電勢仿真波形圖,由圖可見,兩相繞組空載反電勢波形基本上是正弦波,但含有少量的諧波成分,二者相差90°電角度。主、副相空載反電勢分別為E0m=212V、E0a=222V。兩相空載反電勢值不相等是由于繞組匝數(shù)不等,波形相差90°電角度是由于兩相繞組在空間上相差90°放置。設計時,為了獲得較大的功率因素和效率,通常把空載反電勢E0設計得接近于額定電壓,從波形和幅值等可以證明設計符合要求。

        圖8 主副相空載反電勢波形

        2)起動特性分析

        自起動單相永磁同步電動機起動過程中,異步轉(zhuǎn)矩起動隨后將轉(zhuǎn)子牽入同步運行。本文研究的電機是電容起動兼運轉(zhuǎn)形的,當轉(zhuǎn)速接近0.95 額定轉(zhuǎn)速時,離心開關斷開,起動電容脫離副繞組牽入同步運行。仿真時采用壓控開關來模擬離心開關切換電容。起動過程仿真是通過外電路給繞組添加激勵源,外電路模型如圖9所示。

        圖9 外電路模型圖

        當給電機加上14N·m 的額定力矩時,得到在額定負載下電機起動時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、主、副相電流隨時間的變化曲線如圖10至圖12所示。

        圖10 轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

        圖11 轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

        圖12 主、副相電流隨時間變化曲線

        從以上三幅圖可知,自起動單相永磁同步電動機在約100ms 內(nèi)完成從起動到牽入同步的過程。起動過程轉(zhuǎn)矩存在些許脈動,是因為:①由于電機定子繞組與轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性產(chǎn)生了負序磁場,該負序磁場影響著轉(zhuǎn)矩的脈動;②采用電容分相,不能保證在任何轉(zhuǎn)差率下運行時的氣隙磁場都是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。電機主副相電流在起動時有較大的振蕩,特別是主相電流振動幅度較大,同步速后由于運行電容容抗大,對轉(zhuǎn)矩脈動有抑制作用,主副相電流幅度下降了。

        3)齒槽轉(zhuǎn)矩分析

        圖13是自起動單相永磁同步電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖,從圖中可以看出齒槽轉(zhuǎn)矩呈正負對稱、周期性地變化。其峰值大約為1.71 N·m。

        圖13 齒槽轉(zhuǎn)矩

        3 樣機實驗驗證

        根據(jù)上述設計分析,本文將Maxwell 2D 仿真設計的計算結(jié)果與樣機性能測試結(jié)果進行對比,如表3所示。

        表3 計算值與測試值對比

        從對比結(jié)果可以看出,Maxwell 仿真計算值和樣機測試值的誤差在合理的范圍內(nèi),證明了有限元仿真分析設計的可行性。

        4 結(jié)論

        本文采用場路結(jié)合的方法對 220V、2.2kW、1500r/min 自起動單相永磁同步電動機的進行電磁設計分析。運用Maxwell 2D 對樣機的空載特性、起動特 性以及齒槽轉(zhuǎn)矩進行仿真分析。結(jié)合樣機的性能實測,驗證了Maxwell 2D 仿真設計分析的正確性。研究結(jié)果對該類型電機的設計與分析有一定的參考作用。

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