蔣超，喬鳴忠，彭威

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

水泵是船舶上的重要機(jī)械，目前船用水泵基本都使用三相異步電機(jī)。電機(jī)一般通過(guò)聯(lián)軸器與水泵相連，使機(jī)泵系統(tǒng)體積較大，擠占狹窄船艙的有效空間；電機(jī)一般采用風(fēng)扇冷卻，空氣噪聲較大，對(duì)狹窄船艙內(nèi)人員身心健康具有不利的影響；而且異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)通常低于同步電機(jī)。隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步，電機(jī)設(shè)計(jì)理念逐步從通用型設(shè)計(jì)向個(gè)性化、精細(xì)化設(shè)計(jì)發(fā)展，船用水泵獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境對(duì)其配套電機(jī)的體積和噪聲性能提出了不同于陸用電機(jī)的特殊要求。

永磁電機(jī)不需要異步電機(jī)中的勵(lì)磁電流，比異步電機(jī)效率更高，相同功率下體積更小；功率較小時(shí)可省去散熱風(fēng)扇，減小空噪，比異步電機(jī)更適合船舶水泵。通過(guò)在轉(zhuǎn)子上加裝啟動(dòng)籠，永磁電機(jī)可在工頻下異步啟動(dòng)，適應(yīng)船舶的供電系統(tǒng)。在自啟動(dòng)永磁電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中存在3種轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速相同的磁場(chǎng)相互作用生成啟動(dòng)過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速不同的磁場(chǎng)相互作用生成均值為0的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩；平均轉(zhuǎn)矩是順利啟動(dòng)的關(guān)鍵[1]。

20世紀(jì)80年代，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始進(jìn)行了自啟動(dòng)永磁電機(jī)的研究，其中以格拉斯哥大學(xué)的Miller最為典型[2]。國(guó)內(nèi)方面，東南大學(xué)的程明[3]較早開(kāi)展了自啟動(dòng)永磁電機(jī)的研究，采用解析法推導(dǎo)出了自啟動(dòng)永磁電機(jī)能否牽入同步的判據(jù)。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)趙清[4]研究了自啟動(dòng)永磁電機(jī)采用徑向、切向、U型、W型4種不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)永磁體能提供磁通的最大面積，并給出了相應(yīng)的表達(dá)式，轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑一定時(shí)，W型轉(zhuǎn)子磁路能提供最大的磁通量。華北電力大學(xué)李志強(qiáng)[5]采用時(shí)步有限元法和實(shí)驗(yàn)研究了自啟動(dòng)永磁電機(jī)斷相后的電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，發(fā)現(xiàn)即使在輕載情況下，斷相后電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也會(huì)大幅增加。山東大學(xué)田蒙蒙[6]研究了新型的變極啟動(dòng)的自啟動(dòng)永磁電機(jī)，通過(guò)在啟動(dòng)過(guò)程中切換繞組的極數(shù)，能夠顯著提高自啟動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)性能。目前研究較多的自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)和紡織機(jī)，此類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景需要電機(jī)具有較高的穩(wěn)態(tài)效率和較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有追求高功率密度，機(jī)殼多采用與異步電機(jī)相同的型號(hào)，轉(zhuǎn)子多是采用永磁體內(nèi)置式轉(zhuǎn)子，且啟動(dòng)籠置于永磁體上方。目前針對(duì)泵用自啟動(dòng)永磁電機(jī)的研究相對(duì)較少，紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)的Rabbi[7]在2014年研制了一臺(tái)應(yīng)用于井下的潛液泵自啟動(dòng)永磁電機(jī)，該電機(jī)采用啟動(dòng)籠置于永磁體上方的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的啟動(dòng)性能和穩(wěn)態(tài)效率；同時(shí)Rabbi也指出，井下?lián)Q裝過(guò)程異常復(fù)雜，對(duì)自啟動(dòng)永磁電機(jī)可靠性的擔(dān)憂是限制其在井下潛液泵中應(yīng)用的重要原因。

船舶水泵簡(jiǎn)單的換裝過(guò)程為船舶水泵的永磁化提供了可行性。船舶水泵轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求不高；但船舶水泵長(zhǎng)期恒速運(yùn)行，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能要求較高；且船舶水泵工作環(huán)境空間狹窄，對(duì)電機(jī)的體積要求較高。根據(jù)船舶水泵對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求特點(diǎn)，本文以Y160M-4型異步電機(jī)為對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行了11 kW船用泵永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與樣機(jī)制作。將電路方程、磁場(chǎng)方程、運(yùn)動(dòng)方程相結(jié)合[8]，分析了負(fù)載類(lèi)型、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)啟動(dòng)性能的影響，以及極弧系數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，并與異步電機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)效率比較。最后進(jìn)行了啟動(dòng)籠下置式自啟動(dòng)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和仿真分析。本文的研究?jī)?nèi)容可以為船用泵自啟動(dòng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)人員提供有益參考。

1 船用泵自啟動(dòng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)

永磁體內(nèi)置式轉(zhuǎn)子方便在永磁體上方放置啟動(dòng)籠，啟動(dòng)時(shí)能獲得較大的異步轉(zhuǎn)矩，因此自啟動(dòng)永磁電機(jī)通常選擇永磁體內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

本文所設(shè)計(jì)的自啟動(dòng)永磁電機(jī)以Y160M-4型異步電機(jī)為對(duì)比對(duì)象，機(jī)座選用比其小一號(hào)的132號(hào)機(jī)座，有效長(zhǎng)度與其相同，定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑均相應(yīng)減??；并采用V型永磁體布置方式，增加每極磁通，提高電機(jī)單位體積功率。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：功率11 kW，線電壓380 V，頻率50 Hz，極數(shù)為4，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

圖1 自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of self-start PMSM

圖2為采用有限元法計(jì)算得到的自啟動(dòng)永磁電機(jī)空載氣隙磁密波形，可見(jiàn)其三次諧波含量較大。

圖2 空載氣隙磁密波形Fig.2 Waveform of no-load air gap flux density

為提高泵用自啟動(dòng)永磁電機(jī)的可靠性，降低永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)，本文中電機(jī)的相反電勢(shì)取值低于額定相電壓，同時(shí)考慮永磁體的可逆溫度退磁效應(yīng)，相反電勢(shì)基波值在永磁體預(yù)設(shè)工作溫度為75℃時(shí)的設(shè)計(jì)值為210 V。電機(jī)繞組采用星形連接時(shí)可消除線反電勢(shì)中的三次諧波，采用有限元法計(jì)算得到的線反電勢(shì)頻譜如圖3所示。

圖3 仿真空載線反電勢(shì)Fig.3 No-load line back EMF by simulation

為進(jìn)一步減小電機(jī)與水泵系統(tǒng)的體積，本文所設(shè)計(jì)永磁電機(jī)與水泵為一體化連接，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖4所示。電機(jī)出軸端直接與水泵葉輪相連，不便于采用傳統(tǒng)對(duì)拖法測(cè)量反電勢(shì)。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.4 Experimental prototype

由于不帶負(fù)載時(shí)永磁電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下突然斷電后，轉(zhuǎn)子依靠慣性仍能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。本文基于這一實(shí)際，在管道內(nèi)無(wú)水的情況下，采用高分辨率示波器對(duì)斷電瞬間的線電壓波形進(jìn)行捕捉，以斷電后的第一個(gè)電壓波峰作為線反電勢(shì)峰值的近似值，實(shí)驗(yàn)電壓波形如圖5所示。由圖5可得，線反電勢(shì)峰值約為546 V，對(duì)應(yīng)的相反電勢(shì)有效值約為223 V。由于電機(jī)只是短時(shí)空載運(yùn)行，永磁體溫度約為環(huán)境溫度23℃，剩磁可逆溫度系數(shù)取-0.11時(shí)，對(duì)應(yīng)75℃時(shí)的反電勢(shì)約為209 V，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，也驗(yàn)證了所建立有限元仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5 實(shí)驗(yàn)電壓波形Fig.5 Experimental voltage waveform

2 “場(chǎng)—路—運(yùn)動(dòng)”耦合計(jì)算

自啟動(dòng)永磁電機(jī)定子電路如圖6所示。

圖6 定子電路Fig.6 Stator circuit

圖6中，Rs，Ll，e，u分別為每相繞組的電阻、端部漏感、感應(yīng)電勢(shì)、端電壓。感應(yīng)電勢(shì)可以聯(lián)系磁場(chǎng)與電路，即

式中：Lef，N，Sb分別為電樞有效長(zhǎng)度、每相繞組串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)、每相繞組導(dǎo)體截面積；Ai為有限元單元矢量磁位均值；S+b，Sb分別為每相電流流出與流入的導(dǎo)體區(qū)域，求和項(xiàng)涵蓋每相電流流出或流入的導(dǎo)體區(qū)域所有單元。其中矢量磁位A滿足：

式中：Ω為磁場(chǎng)域；Γ為永磁體邊界；μ為磁導(dǎo)率；Jm為等效面電流密度；j為傳導(dǎo)電流密度；μ1為永磁體磁導(dǎo)率；μ2為鐵心磁導(dǎo)率。

電磁轉(zhuǎn)矩可以聯(lián)系磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)，即

式中：Tem，TL，J，W分別為電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、機(jī)械角速度；r，Bθ，Br分別為氣隙中任意半徑、氣隙磁密徑向和切向分量；μ0為真空磁導(dǎo)率。

聯(lián)立式（1）～式（5），采用有限元法進(jìn)行空間離散，采用歐拉向后差分法進(jìn)行時(shí)間離散，給定端電壓、機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)采用Newton-Raphson迭代法計(jì)算代數(shù)方程組，所得結(jié)果作為下一步計(jì)算的條件，即可求出電機(jī)所有瞬態(tài)過(guò)程[8-9]。

3 負(fù)載啟動(dòng)性能研究

本文中機(jī)泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式求得，為0.08 kg?m2。

式中：mr，ms，mp，Rr，Rs，Rp分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子、連接軸、泵葉輪的質(zhì)量與外徑；kp為考慮葉輪附連水作用而引入的修正系數(shù)。

圖7為啟動(dòng)過(guò)程中的電流曲線，在啟動(dòng)過(guò)程中三相電流不對(duì)稱(chēng)，有較大的電流沖擊。通常異步電機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)為5～7.5，本文中電機(jī)最大啟動(dòng)電流倍數(shù)約為7，符合異步電機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 啟動(dòng)電流Fig.7 Current of starting process

水泵類(lèi)負(fù)載不同于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，在額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。在啟動(dòng)初期，水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較低，而恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在啟動(dòng)初期即對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求較高。圖8為不同負(fù)載類(lèi)型時(shí)轉(zhuǎn)速曲線，由圖8可見(jiàn)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，帶水泵負(fù)載時(shí)比帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載歷時(shí)更短，船用泵對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)能力的要求不高，一般均能得到滿足。

圖8 不同負(fù)載類(lèi)型時(shí)轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Speed curve with different load type

本文還研究了不同水泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的啟動(dòng)過(guò)程，圖9為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1～4.5倍真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速曲線。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量達(dá)到原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4.5倍時(shí)，轉(zhuǎn)速無(wú)法穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速，其原因是牽入同步過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩所做功無(wú)法滿足該系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下轉(zhuǎn)速躍升的能量需求。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)啟動(dòng)性能尤其是牽入同步性能影響重大，本文中電機(jī)能順利啟動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的4倍。對(duì)船用泵系統(tǒng)而言，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要體現(xiàn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此不同于抽油機(jī)類(lèi)負(fù)載，自啟動(dòng)永磁電機(jī)應(yīng)用于水泵時(shí)其牽入同步能力一般均是足夠的。

圖9 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下轉(zhuǎn)速曲線Fig.9 Speed curves with different moment of inertia

4 負(fù)載穩(wěn)態(tài)性能研究

4.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

與表貼式和無(wú)啟動(dòng)籠內(nèi)置式永磁電機(jī)的極弧系數(shù)可以連續(xù)調(diào)節(jié)不同，自啟動(dòng)永磁電機(jī)需要通過(guò)永磁體槽與轉(zhuǎn)子槽配合形成隔磁橋限制漏磁，極弧系數(shù)無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)。

本文對(duì)相鄰永磁體槽跨兩個(gè)轉(zhuǎn)子槽（槽間距分別為6 mm，8 mm，10 mm）和跨3個(gè)轉(zhuǎn)子槽（槽間距為16 mm）共4種情況下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算（其他取值會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)明顯不合理，故未考慮），相應(yīng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩局部細(xì)節(jié)如圖10所示。4種情況對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)峰峰值轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率在15%左右，僅處于工程可接受水平。一個(gè)電周期內(nèi)出現(xiàn)6次較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基波為6倍電頻率，這主要是由基波電流產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子5次、7次諧波磁動(dòng)勢(shì)相互作用，以及5次、7次諧波電流產(chǎn)生的諧波磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子基波磁動(dòng)勢(shì)相互作用引起。

圖10 不同永磁體槽間距時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線Fig.10 Torque curves with different PM slot spacing

4.2 運(yùn)行效率分析

水泵電機(jī)長(zhǎng)期在固定工況下連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)效率也是其穩(wěn)態(tài)性能的重要方面。自啟動(dòng)永磁電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速，理想情況下啟動(dòng)籠中沒(méi)有電流，但實(shí)際中在氣隙磁場(chǎng)時(shí)空諧波作用下，啟動(dòng)籠也會(huì)產(chǎn)生銅耗。根據(jù)時(shí)步有限元模型計(jì)算得到的繞組電流和電機(jī)各部位磁通密度、電流密度隨時(shí)間的變化，可得到電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各種電磁損耗的瞬時(shí)值。

定子繞組銅耗瞬時(shí)值由下式確定：

式中：iA，iB，iC，Rs分別為三相電流和相電阻。

由于是散嵌繞組，且運(yùn)行頻率較低，不需考慮集膚效應(yīng)。

定轉(zhuǎn)子鐵耗瞬時(shí)值由下式確定[10]：

其中

式中：ph，pc，pe分別為鐵心區(qū)域某點(diǎn)的瞬時(shí)磁滯損耗密度、渦流損耗密度、異常損耗密度；SFe為鐵心區(qū)域面積；B為該點(diǎn)的磁密；Hirr為基于等效橢圓磁滯回環(huán)模型得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度不可逆分量；Bm和θ分別為等效橢圓磁滯回環(huán)模型中的磁密最大值和角度；d為硅鋼片厚度；σ為硅鋼片電導(dǎo)率；kh，ke為由鐵磁材料損耗曲線擬合得到的損耗系數(shù)。

啟動(dòng)籠銅耗瞬時(shí)值由下式確定：

式中：in，Rring分別為第n段端環(huán)電流與電阻；σ為導(dǎo)條電導(dǎo)率；Sbar為導(dǎo)條區(qū)域面積。

永磁體渦流損耗瞬時(shí)值由下式確定：

式中：SPM為永磁體區(qū)域面積。

各損耗瞬時(shí)值計(jì)算結(jié)果如圖11所示，定子銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵耗、啟動(dòng)籠銅耗、永磁體渦流損耗時(shí)均值分別為476.4 W，93.5 W，71.2 W，1.1 W?？梢?jiàn)雖然運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，但在諧波磁場(chǎng)作用下，啟動(dòng)籠銅耗在總損耗中也占有一定比例，不可忽略；永磁體渦流損耗很小，原因是內(nèi)置式永磁體受氣隙諧波磁場(chǎng)影響較?。欢ㄗ永@組銅耗占比最大。

圖11 穩(wěn)態(tài)損耗Fig.11 Steady-state loss

自啟動(dòng)永磁電機(jī)效率可由下式確定：

經(jīng)計(jì)算，本文中自啟動(dòng)永磁電機(jī)效率為93.2%，高于Y160M-4型異步電機(jī)88%的效率[11]，達(dá)到GB18613—2012中2級(jí)能效等級(jí)91.4%的效率要求[12]，水泵系統(tǒng)配用自啟動(dòng)永磁電機(jī)后在體積減小的同時(shí)，效率明顯提升。

4.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于本文所設(shè)計(jì)泵用自啟動(dòng)永磁電機(jī)出軸端直接與泵葉輪相連，不便進(jìn)行轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，僅將時(shí)步有限元模型計(jì)算所得端電壓和電流與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，以此驗(yàn)證仿真模型和所得結(jié)論的準(zhǔn)確性。圖12為穩(wěn)態(tài)相端電壓和相電流，其中圖12a、圖12b分別為實(shí)測(cè)和仿真所得相端電壓和相電流波形，圖13為實(shí)測(cè)和仿真所得相電流頻譜。

圖12 穩(wěn)態(tài)相端電壓和相電流Fig.12 Steady phase voltage and phase current

由圖13可見(jiàn)，電流基波有效值大小存在差異，這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)由于管路水力負(fù)載不可控，電機(jī)并未工作在額定工況，而是略高于額定工況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流略高于仿真值。但仿真與實(shí)驗(yàn)所得波形和諧波含量吻合良好，從而驗(yàn)證了仿真模型和結(jié)論的準(zhǔn)確性。

圖13 穩(wěn)態(tài)電流頻譜Fig.13 Steady current spectrum

5 啟動(dòng)籠下置式泵用自啟動(dòng)永磁電機(jī)仿真分析

基于泵用自啟動(dòng)永磁電機(jī)啟動(dòng)性能需求低、穩(wěn)態(tài)性能需求高，而啟動(dòng)籠上置式自啟動(dòng)永磁電機(jī)啟動(dòng)性能優(yōu)良、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅處于工程可接受水平的實(shí)際情況，本文采用啟動(dòng)籠下置的思路對(duì)船用泵自啟動(dòng)永磁電機(jī)進(jìn)行了再設(shè)計(jì)和仿真分析。

再設(shè)計(jì)的自啟動(dòng)永磁電機(jī)主要尺寸、空載反電勢(shì)取值和運(yùn)行條件與原電機(jī)保持一致，僅對(duì)定子繞組匝數(shù)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，如圖14所示。啟動(dòng)籠下置后，有效氣隙增大，勵(lì)磁電抗減小，啟動(dòng)過(guò)程中的異步轉(zhuǎn)矩下降，啟動(dòng)性能削弱；但可以采用表貼式轉(zhuǎn)子磁極，能方便地調(diào)整極弧系數(shù)和對(duì)磁極進(jìn)行修形，轉(zhuǎn)子槽開(kāi)口引起的齒槽效應(yīng)也將減弱，可以得到諧波含量較小的空載氣隙磁場(chǎng)，減小穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電磁噪聲和諧波損耗，提高穩(wěn)態(tài)性能。考慮到表貼永磁體一般需要采用護(hù)套緊固，碳纖維護(hù)套成本較高而不銹鋼護(hù)套渦流損耗較大，本文再設(shè)計(jì)的船用泵自啟動(dòng)永磁電機(jī)將偏心磁極內(nèi)置于轉(zhuǎn)子表層下方，由硅鋼片充當(dāng)轉(zhuǎn)子護(hù)套，既可獲得較好的氣隙磁密波形，又避免了護(hù)套渦流損耗。

圖14 調(diào)整后的自啟動(dòng)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure of adjusted self-start PMSM

對(duì)啟動(dòng)籠下置式自啟動(dòng)永磁電機(jī)進(jìn)行計(jì)算，其啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩分別如圖15、圖16所示。

圖15 啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速Fig.15 Starting process speed

圖16 啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)矩Fig.16 Starting process torque

可見(jiàn)，其他條件不變的前提下，啟動(dòng)籠下置時(shí)相比啟動(dòng)籠上置時(shí)，自啟動(dòng)永磁電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間由0.13 s增加至0.4 s，但穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率由13.4%下降至1.5%。究其原因，主要是空載氣隙磁密波形改善使反電勢(shì)和穩(wěn)態(tài)電流正弦度均得到提高，相應(yīng)頻譜如圖17、圖18所示。

圖17 空載相反電勢(shì)頻譜Fig.17 No load phase back EMF spectrum

圖18 穩(wěn)態(tài)相電流頻譜Fig.18 Steady-state phase current spectrum

啟動(dòng)籠下置后的各項(xiàng)電磁損耗如圖19所示，定子銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵耗、啟動(dòng)籠銅耗、永磁體渦流損耗時(shí)均值分別為502.1 W，60.4 W，0.8 W，1.9 W。相比啟動(dòng)籠上置式結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子鐵耗減小33.1 W，啟動(dòng)籠銅耗大幅降低70.4 W，主要原因是氣隙磁場(chǎng)時(shí)空諧波降低后，定轉(zhuǎn)子鐵心中的諧波鐵耗相應(yīng)減小，啟動(dòng)籠中的感應(yīng)電流較小，且啟動(dòng)籠下置后受定子諧波磁場(chǎng)作用減小，效率進(jìn)一步提升至93.7%。

圖19 穩(wěn)態(tài)損耗Fig.19 Steady-state loss

對(duì)于泵用自啟動(dòng)永磁電機(jī)，啟動(dòng)籠上置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)啟動(dòng)性能有余而穩(wěn)態(tài)性能欠佳，啟動(dòng)籠下置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在啟動(dòng)性能可接受的前提下能明顯改善電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低啟動(dòng)籠銅耗，對(duì)于對(duì)噪聲性能有要求的船用泵而言，這種改善更有意義。

6 結(jié)論

本文結(jié)合船用泵電機(jī)啟動(dòng)性能要求低、體積和穩(wěn)態(tài)性能要求高的特點(diǎn)，對(duì)適用于船用泵的自啟動(dòng)永磁電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了分析模型的有效性，所得結(jié)論如下：1）自啟動(dòng)永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵負(fù)載時(shí)啟動(dòng)能力和牽入同步能力通常是足夠的。2）為減小自啟動(dòng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，應(yīng)降低氣隙磁密5，7次諧波。3）啟動(dòng)籠上置式自啟動(dòng)永磁電機(jī)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)籠銅耗不可忽略。4）啟動(dòng)籠下置式自啟動(dòng)永磁電機(jī)，在保證啟動(dòng)性能的前提下能大幅降低穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和啟動(dòng)籠銅耗，更適合船用泵應(yīng)用場(chǎng)合。