劉文輝

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

三相永磁同步電動機偏心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析

劉文輝

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

分析和研究了三相永磁同步電動機偏心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。運用Ansoft語言建立了仿真模型。以一臺三相永磁同步電動機為例，仿真了偏心轉(zhuǎn)子與整圓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時的電機瞬態(tài)過程，并給出了空載反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)曲線。通過仿真與理論相結(jié)合進行分析，得出三相永磁同步電動機采用偏心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后，電機空載反電勢及齒槽轉(zhuǎn)矩變化的趨勢。

永磁同步電動機；數(shù)學(xué)模型；偏心轉(zhuǎn)子；瞬態(tài)

0 引言

我國電動機保有量約4億kW以上，年產(chǎn)3600萬kW，消耗電能占發(fā)電量60%。從節(jié)能方面考慮，永磁電動機是一種非常理想的電動機。據(jù)電力部門估算，煤炭行業(yè)使用的風(fēng)機、水泵，五六十年代的老設(shè)備約占1/3，其自身運行效率只有30%～40%，系統(tǒng)運行效率大約為20%，如用量較大的5kW水泵要用7.5kW電機代替，實際指在3kW左右載荷下運行，使用效率只有38%，造成巨大的能源浪費，這種電機若采用稀土永磁專用電機，電機成本只增加30%～50%，但電機運行效率可提高到50%～55%，從根本上改變能源浪費狀況，如果每年生產(chǎn)300萬kW稀土永磁電機，可為國家節(jié)省電力投資6億元，節(jié)省電費3億元。

與傳統(tǒng)的電勵磁同步電機相比，永磁同步電機，特別是稀土永磁同步電機優(yōu)點甚多：永磁同步電機損耗少、效率高、節(jié)電效果明顯。永磁同步電機用永磁體提供磁場，取代了電勵磁方式，不存在電勵磁損耗，在同步運行時，轉(zhuǎn)子繞組無感應(yīng)電流，就沒有銅耗，轉(zhuǎn)子鐵心中也沒有損耗，因此，永磁同步電動機的效率要高于電勵磁同步電機和異步電機的效率。而且由于永磁同步電機不需要從電網(wǎng)中吸取滯后的勵磁電流，從而大大節(jié)約了無功，極大地提高了電機的功率因數(shù)，所以永磁同步電機在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的效率和功率因數(shù)，電機的節(jié)電效果顯著。

1 齒槽轉(zhuǎn)矩對三相永磁同步電動機的影響分析

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機的特有問題之一，齒槽轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子的永磁體磁場同定子鐵心的齒槽相互作用，在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。此轉(zhuǎn)矩與定子的電流無關(guān)，它總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置。齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的根源在于定子齒槽的存在，由于定子表面開槽，當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子磁極與定子齒槽的相對不同位置時，主磁路的磁導(dǎo)發(fā)生了變化，電機轉(zhuǎn)子有趨向于停在使磁路磁導(dǎo)最小的位置上，因此齒槽轉(zhuǎn)矩也稱為定位轉(zhuǎn)矩。通俗來講，當(dāng)手里拿著一塊永磁體接近一塊鐵時，總會感覺所受一股吸引力合成的結(jié)果就是使轉(zhuǎn)子停在使吸引力之和為零的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過某一個小角度時，永磁體離開原來平衡位置，定子鐵心對它產(chǎn)生了吸引力，這個吸引力力圖把其拉回原來的平衡位置，這個吸引力就產(chǎn)生了阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的磁阻轉(zhuǎn)矩。一臺槽數(shù)為Q、級數(shù)為2p電機的總齒槽轉(zhuǎn)矩，可以理解為對于每個槽口面對2p個磁極級間產(chǎn)生的單元齒槽轉(zhuǎn)矩的疊加，然后是Q個槽口齒槽轉(zhuǎn)矩的疊加?？偟凝X槽轉(zhuǎn)矩可以表示為

式中，Ti、Xi—表示第i次齒槽轉(zhuǎn)矩諧波的幅值和相角；Np—定子槽數(shù)Q和級數(shù)2p的最小公倍數(shù)；α—定轉(zhuǎn)子軸線之間的機械角度；K—斜槽因子，如果沒有斜槽則K=1。

齒槽轉(zhuǎn)矩的存在對永磁電機的運行有著十分不利的影響。齒槽轉(zhuǎn)矩會引起輸出轉(zhuǎn)矩的脈動和噪聲，齒槽轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。

2 偏心轉(zhuǎn)子模型的建立

2.1 采取不均勻氣隙削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型

由于永磁體內(nèi)置，若忽略鐵磁材料的磁壓降，則在同一極下的電樞內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子外表面分別為等磁位面，氣隙磁動勢F為矩形波。采用不均勻氣隙時，一般力圖使氣隙磁密按正弦分布

則

可認(rèn)為

則

式中，δmin—最小氣隙。

滿足這種變化規(guī)律的氣隙在工藝上實現(xiàn)困難，可把磁極外表面做成與定子鐵心不同心的圓弧形，如圖1所示。最大氣隙δmax為

偏心距h為

極弧半徑為R2=R1-h-δmin

2.2 偏心轉(zhuǎn)子的物理模型

偏心轉(zhuǎn)子的物理模型如圖1所示。

圖1 三相異步電動機示意圖

2.3 偏心轉(zhuǎn)子永磁電機的仿真模型

為某用戶設(shè)計的TYC315L1-4 160kW380V電機，運用Ansoft軟件模塊建立仿真分析模型如圖2所示。

圖2 三相異步電動機仿真模型

3 三相永磁同步電動機偏心轉(zhuǎn)子仿真分析

3.1 空載反電勢分析

衡量永磁同步電動機一個很重要的指標(biāo)就是空載電壓波形，圖3為電動機相空載反電動勢波形，各次諧波含量較高，盡管通過定子斜槽可以大大降低各次諧波含量，但定子斜槽時，定子疊片浪費大量工時，浪費人力，增加成本，故本次研發(fā)的系列產(chǎn)品皆采用轉(zhuǎn)子偏心(即偏心氣隙)的結(jié)構(gòu)來消除諧波，接下來的仿真我們都會對偏心前后結(jié)果進行對比，具體見圖3和圖4。由圖4可以清晰地看出轉(zhuǎn)子偏心后電壓波形是無限接近正弦波形的。

圖3 整圓轉(zhuǎn)子空載反電勢波形

圖4 偏心轉(zhuǎn)子空載反電勢波形

由圖5、圖6亦可知，正常氣隙電壓畸變率14.3%，偏心氣隙電壓畸變率3.2%，畸變率越小表示各次諧波含量越少，偏心氣隙后的諧波含量低，已達(dá)到我們要降低諧波含量的要求。

圖5 整圓轉(zhuǎn)子反電勢傅里葉級數(shù)分解

圖6 偏心轉(zhuǎn)子反電勢傅里葉級數(shù)分解

3.2 齒槽轉(zhuǎn)矩仿真分析

降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有很多種，可分為三大類。第一大類為改變磁極參數(shù)的方法，此類方法包括：改變磁極的極弧系數(shù)、采用不等厚永磁體、磁極偏移、斜極、磁極分段、不等極弧系數(shù)組合和采用不等極弧系數(shù)等；第二大類為改變電樞參數(shù)的方法，此類方法包括：改變槽口寬度、改變齒的形狀、不等槽口寬、斜槽、開輔助槽等；第三大類為合理選擇電樞槽數(shù)和級數(shù)。在生產(chǎn)中，可根據(jù)實際情況采用合適的削弱方法，既可采用一種方法，也可采用幾種方法的組合。本方案采用的是轉(zhuǎn)子偏心降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

整圓轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)矩最大幅值為14.8 N·m，該臺電動機機的額定轉(zhuǎn)矩為1018.7 N·m，所占比例為1.45%；偏心氣隙后的電機齒槽轉(zhuǎn)矩的最大幅值為1.34 N·m，所占比例為0.132%，大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖7 整圓轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

圖8 偏心轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)語

通過對三相永磁同步電動機偏心轉(zhuǎn)子進行仿真研究可以看出：采用偏心轉(zhuǎn)子后可大大降低諧波含量，使得電動機波形無限接近正弦波，從而降低各項損耗，提高電動機效率。

采用偏心轉(zhuǎn)子后也可大大降低永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩，降低由于轉(zhuǎn)矩脈動所產(chǎn)生的振動及噪聲。

[1] 王秀和. 永磁電機(第二版).北京：中國電力出版社，2011.1.

[2] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2015.12.

[3] 崔昌煥.永磁式風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù).防爆電機，2016.2.

Transient Analysis on Eccentric Rotor Structure of Three-Phase PMSM

LiuWenhui

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

This paper analyzes and studies the advantages of eccentric rotor structure for three-phase PMSM. The simulation model is established by using Ansoft language. Taking a three-phase PMSM as an example, the transient processes of motor with eccentric rotor and round rotor structures are simulated, and the transient curves of no-load back EMF and cogging torque are given. Through simulation and theory analyses, variation trends of no-load back EMF and cogging torque are obtained for three-phase PMSM with eccentric rotor structure.

PMSM;mathematical model;eccentric rotor;transient state

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.02

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0005-004

劉文輝 男 1983年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計研發(fā)工作.

2017-01-10