姜遠遠，閆強波，鄭建平

（ 1.日照東方電機有限公司，山東 日照 276800；2.博能傳動(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

基于交流調(diào)速永磁同步電機技術(shù)對潛水泵的節(jié)能改造

姜遠遠1，閆強波2，鄭建平1

（ 1.日照東方電機有限公司，山東 日照 276800；2.博能傳動(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

基于永磁電機技術(shù)對灌溉用7.5kw潛水泵進行改造，實現(xiàn)節(jié)能目的。闡述利用有限元等手段對電機改造的設計過程，通過實際測試，證明改造后節(jié)能效果明顯。

永磁同步電機；潛水泵；節(jié)能；有限元

0 引言

近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，交流調(diào)速永磁同步電機受到了人們的重視，由于其效率高、功率因數(shù)高，故在多場合得到了廣泛的應用。本文主要介紹采用交流調(diào)速永磁同步電機技術(shù)對7.5 kW潛水泵的節(jié)能改造以及改造后的節(jié)能效果。

1 應用現(xiàn)狀

在我國農(nóng)村，農(nóng)田灌溉水源大多通過農(nóng)用潛水泵從地下取水，其效率低、功率因數(shù)低，屬于耗能大戶。

市場上常見的7.5 kW潛水泵產(chǎn)品開發(fā)較早，電機能耗較高。表1所示為待改進的7.5 kW潛水泵銘牌顯示數(shù)據(jù)：

表1 7.5 kW潛水泵性能參數(shù)

該水泵實際運行時，在流量及揚程均滿足額定要求的情況下，電流均在20 A以上，可見其能耗實際值高于設計值。

與此同時，在調(diào)查其他不同制造商生產(chǎn)的7.5 kW潛水泵時，通過實際測量，在流量及揚程均在額定要求的情況下，運行電流均在20 A以上。表明現(xiàn)有7.5 kW潛水泵效率過低，能耗較高，屬于高耗能產(chǎn)品。

2 改進設想

永磁同步電機是在稀土永磁材料的基礎上發(fā)展起來的，具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，重量輕；損耗少，效率高等顯著特點。與感應電機相比，永磁同步電機不需要無功勵磁電流，顯著提高功率因數(shù)，減少了定子電流和定子電阻損耗，且在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，可因總損耗降低進而提高設計熱負荷，其效率相比同規(guī)格感應電動機提高2%～8%。同時，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使其輕載運行時的節(jié)能效果更為明顯。

設想以一臺正在使用的7.5 kW潛水泵為改造對象，通過更換全新設計的永磁同步電機定轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)整體高效、節(jié)能設想。

3 方案設計

3.1 參數(shù)設定

已知潛水泵電機技術(shù)要求為：額定功率7.5 kW；額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min；額定轉(zhuǎn)矩23.9 N·m。

考慮到電機材料用量、轉(zhuǎn)子空心率、工藝難度等因素，確定電機極對數(shù)為8極，相對于2、4、6極而言，跨距小，繞組端部短，材料用量少。同時，轉(zhuǎn)子直徑大，定子軛部尺寸適中，可避免軛部過窄時工藝性差以及過寬時材料利用率差等不良現(xiàn)象。

確定電機額定頻率為：200 Hz。

為獲得更優(yōu)的反電勢波形，定子選擇30槽。

為提高轉(zhuǎn)子凸極率，提高電機磁阻轉(zhuǎn)矩，采用內(nèi)置一字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

3.1.1 鐵芯長度

參考異步電機的電樞直徑，定子內(nèi)外徑比值應在0.68左右，故初選定子內(nèi)徑為120 mm。采用國外相關(guān)文獻中的TRV值估算鐵芯長度：

式中 T—轉(zhuǎn)矩

Da—定子內(nèi)徑

L—鐵芯長度

對于全密閉的永磁電機，TRV一般如下：

1）小型鐵氧體永磁電機：7 kN·m/m3～14 kN·m/m3

2）粘結(jié)釹鐵硼永磁電機：20 kN·m/m3

3）燒結(jié)釹鐵硼，稀土鈷永磁電機：14 kN·m/m3～ 42 kN·m/m3

由于潛水泵電機屬機殼外水冷電機，根據(jù)經(jīng)驗，TRV取22 kN·m/m3。通過估算的定子內(nèi)徑，算出鐵芯長度為96 mm。

3.1.2 線圈匝數(shù)

通過電源頻率、電源電壓和每極基波磁通Φm1確定匝數(shù)：

式中 Kw1—繞組系數(shù)

Tph—每相串聯(lián)匝數(shù)

Φm1—基波氣隙磁通

f—電機額定頻率

基波磁通Φm1隨著電機尺寸不同發(fā)生變化，在正常負載點采用式3與峰值氣隙磁密Bm1聯(lián)系：

式中D為定子鐵芯內(nèi)圓直徑，P為極對數(shù)。因使用了稀土永磁體，Bm1可達0.8 T。針對本機所需速度可能太高，如設Bm1為0.79 T，D為120 mm，Lstk為96 mm，P為4，根據(jù)式（3）求出Φm1為0.002 304 Wb。

通過計算繞組系數(shù)Kw1=0.9 099，但仍然指定一個值線圈匝數(shù)來產(chǎn)生反電動勢，本次反電勢設計按照90%的端電壓設計，其相電壓是因此每相串聯(lián)匝數(shù)Tph≈ 110。

3.1.2 永磁體尺寸

以極距τ和氣隙δ確定永磁體尺寸，通過式（4）、式（5）估算，基本確定永磁體尺寸：

3.2 有限元仿真

3.2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁電機繞組不通電時永磁體和鐵芯之間互相作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，由永磁體和電樞齒之間相互作用力的切向分量引起。當定轉(zhuǎn)子處于相對運動狀態(tài)，處于永磁體極弧部分的電樞齒與永磁體間的磁導基本不變，因此電樞齒周圍磁場基本不變，而與永磁體兩側(cè)面相對的由一個或兩個電樞齒構(gòu)成的一小段區(qū)域內(nèi)，磁導變化大，導致磁場儲能變化，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩對速度控制系統(tǒng)中的低速性能與位置控制系統(tǒng)中定位精度都有很大的影響，如低速運行時產(chǎn)生很大的振動和噪聲。7.5 kW潛水泵永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩曲線見圖1，齒槽轉(zhuǎn)矩數(shù)值見表2。

圖1 7.5 kW潛水泵永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

表2 7.5 kW潛水泵永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩數(shù)值

從仿真數(shù)據(jù)看，齒槽轉(zhuǎn)矩最大為0.073，占總轉(zhuǎn)矩的0.31%。由于負載為水泵，齒槽轉(zhuǎn)矩不大，故無需特殊消除齒槽轉(zhuǎn)矩措施。

3.2.2 空載反電勢

空載反電勢是永磁同步電機非常重要的參數(shù)?？蛰d反電勢由電動機中永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應產(chǎn)生。空載反電勢不僅決定電動機運行于增磁狀態(tài)還是去磁狀態(tài)，而且對電動機的動、穩(wěn)態(tài)性能均有很大影響。圖2為7.5 kW潛水泵永磁電機空載反電勢曲線，空載反電勢數(shù)值見表3.

圖2 7.5 kW潛水泵永磁電機空載反電勢曲線

表3 7.5 kW潛水泵永磁電機空載反電勢數(shù)值

仿真數(shù)據(jù)顯示：空載反電勢有效值為216 V，與最初的設計估算值202 V略有差異，這里以仿真數(shù)據(jù)為準。

3.2.3 空載磁密分布及氣隙磁密波形

空載磁密分布見圖3，氣隙磁密波形見圖4。

圖3 空載磁密云圖

圖4 氣隙磁密波形

3.2.3 運行仿真結(jié)果

永磁同步電機的運行仿真結(jié)果見表4。

表4 仿真結(jié)果

4 測試比對

同條件下的運行測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 測試數(shù)據(jù)

表5數(shù)據(jù)顯示，實際運行值基本滿足仿真值。同時，由于使用了變頻器驅(qū)動，起動方式為恒轉(zhuǎn)矩起動，起動瞬間對電網(wǎng)無沖擊，電機也不存在5～7倍起動電流，使電機安全運行更有保障。運行時調(diào)速也極為方便，可實時控制水泵流速。

改造前后水泵電機用材對比見表6：

表6 材料對比

表6數(shù)據(jù)顯示，永磁同步電機替代了異步電機，雖在轉(zhuǎn)子上使用價格較高的稀土永磁材料，但使用永磁材料后可使定轉(zhuǎn)子鐵芯縮短，減少定轉(zhuǎn)子銅重和鐵重，成本并未發(fā)生較大增長。但是，由于使用了不同的極數(shù)和槽極配合，定轉(zhuǎn)子需要重開模具，由此帶來的初期投入費用較大。

5 結(jié)論

利用永磁調(diào)速同步電機技術(shù)改造的水泵具有較高的節(jié)電率，是水泵企業(yè)進行產(chǎn)品更新?lián)Q代時較優(yōu)的選擇，且成本基本保持不變，對目前國家提倡的節(jié)能減排有著積極的意義。

[1]J.R. Hendershot & T.J.E. Miller.Brushless Permanent Magnet Motor Design [M].1994.

[2]黃國治.傅豐禮.Y2系列三相異步電動機技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[3]譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[4]王艾萌.新能源汽車電機的設計及弱磁控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

The Energy Saving Reformation of the Submersible Pump Based on the AC Speed Regulation Permanent Magnet Synchronous Motor

Jiang Yuanyuan1, Yan Qiangbo2, Zhen Jianping1
( 1. Rizhao Oriental Motor Co., Ltd., Rizhao 276800, Shandong;2. Boneng Transmission (Suzhou) Co., Ltd., Suzhou 215131, Jiangsu )

The 7.5kW submersible pump, based on the permanent magnet motor, used for irrigation is reformed to achieve the purpose of energy saving. The design process of motor transformation by means of finite element method is introduced. It is proved that the energy saving effect is obvious after the transformation through practical test.

Permanent magnet synchronous motor; Submersible pump; Energy saving; Finite element

TM351

A

1674-2796（2017）06-0017-04

2017-06-09

姜遠遠（1990—），男，大學?？?，主要從事大中型永磁同步電機設計工作。