王建輝, 張 勇, 王鴻鵠

(1.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司,上海 200063；2.雙龍集團(tuán)上海防爆電機(jī)鹽城股份有限公司，江蘇 鹽城 224007；3.上海電科電機(jī)科技有限公司，上海 200063)

0 引 言

2016年，IEC發(fā)布了IEC TS 60034-30-2:2016標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了變頻器供電的變頻調(diào)速電機(jī)的能效等級(jí)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)等同轉(zhuǎn)化為GB/T 32891.2—2019[1]。標(biāo)準(zhǔn)中將變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)效率分為IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 5個(gè)等級(jí)，并給出了電機(jī)效率的計(jì)算方法。該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍：額定功率0.12～1 000 kW，額定電壓50～1 000 V，額定轉(zhuǎn)速600～6 000 r/min。在確定不同效率等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中給出了為計(jì)算標(biāo)稱(chēng)效率限定值的參考效率值，結(jié)合插值公式和高頻附加損耗系數(shù)，計(jì)算得到標(biāo)稱(chēng)效率值，并以該標(biāo)稱(chēng)效率值為電機(jī)90%額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下效率的考核值。

為了完善我國(guó)工業(yè)電機(jī)的產(chǎn)品體系，推動(dòng)中小型電機(jī)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，自2019年3月起，在中小型電機(jī)行業(yè)開(kāi)展了IE4能效等級(jí)的緊湊型變頻調(diào)速三相永磁同步電機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，成立了由上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司、上海電科電機(jī)科技有限公司、金華江科動(dòng)力有限公司、江蘇錫安達(dá)防爆股份有限公司、江蘇大中電機(jī)股份有限公司、安波電機(jī)(寧德)有限公司、西門(mén)子電機(jī)(中國(guó))有限公司、上海ABB電機(jī)有限公司、長(zhǎng)沙長(zhǎng)利電氣有限公司等企業(yè)組成的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)工作組，確定系列產(chǎn)品名稱(chēng)為“TYP系列變頻調(diào)速三相永磁同步電動(dòng)機(jī)”，功率范圍：0.55～315 kW，機(jī)座號(hào)：80～355，轉(zhuǎn)速：3 000 r/min、1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min，冷卻方式IC416，完成了共95個(gè)規(guī)格的電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)型譜參考了YE4系列(IP55)三相異步電機(jī)[2]，并在其基礎(chǔ)上降低了機(jī)座號(hào)。與通用籠型異步電機(jī)相比，該系列產(chǎn)品在相同功率和轉(zhuǎn)速情況下，普遍降低了1～2個(gè)機(jī)座號(hào)，從而大幅降低了電機(jī)的制造成本，有利于電機(jī)的市場(chǎng)推廣。

研制過(guò)程中對(duì)場(chǎng)路結(jié)合設(shè)計(jì)方法、極數(shù)選擇分析、削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)設(shè)計(jì)、抗去磁能力分析、縮小機(jī)座號(hào)的機(jī)械性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)做了研究。其中場(chǎng)路結(jié)合方法是一種兼顧精度和效率的方法[3-5]。為了提高設(shè)計(jì)精度和縮短設(shè)計(jì)周期，該系列產(chǎn)品的電磁設(shè)計(jì)采用了一種基于場(chǎng)路結(jié)合的設(shè)計(jì)方法[6]，主要是通過(guò)電流源激勵(lì)2D有限元時(shí)步法的分析結(jié)果反推得到基于交直軸雙反應(yīng)理論的永磁同步電機(jī)電路、磁路模型中的參數(shù)，從而得到確定的永磁同步電機(jī)解析模型，再通過(guò)解析模型來(lái)設(shè)計(jì)相同沖片結(jié)構(gòu)的同機(jī)座同轉(zhuǎn)速的其他規(guī)格。

根據(jù)系列設(shè)計(jì)的結(jié)果，與YE2、YE4本體有效材料作了對(duì)比，說(shuō)明了TYP系列在達(dá)到高于IE4效率的同時(shí)成本較低。

最后，通過(guò)樣機(jī)試制、測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了本系列設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果和設(shè)計(jì)方法的正確性。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

為了確保所開(kāi)發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的效率等級(jí)能夠達(dá)到IE4，降低電機(jī)的成本，縮短設(shè)計(jì)周期，針對(duì)電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下。

1.1 場(chǎng)路結(jié)合設(shè)計(jì)方法

電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法是一種常用的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)方法，具有計(jì)算準(zhǔn)確和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是在永磁電機(jī)系列設(shè)計(jì)中，電機(jī)規(guī)格數(shù)較多，用電磁場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)降低設(shè)計(jì)速度，不能滿(mǎn)足工程實(shí)際的需求。

考慮到系列設(shè)計(jì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)具有電磁結(jié)構(gòu)一致性，本系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中采用了一種場(chǎng)路結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，該方法提出了一種永磁電機(jī)的電磁性能計(jì)算方法，采用路方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中的部分參數(shù)通過(guò)典型規(guī)格電機(jī)的電磁場(chǎng)分析得出，并在設(shè)計(jì)完畢后，通過(guò)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算對(duì)典型規(guī)格設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，這樣一方面提升了設(shè)計(jì)速度，另一方面也能夠保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度。

本項(xiàng)目提出的電機(jī)場(chǎng)路結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，為該系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。全系列共有95個(gè)規(guī)格，當(dāng)選擇每個(gè)機(jī)座號(hào)、不同極數(shù)下的最長(zhǎng)鐵心長(zhǎng)度規(guī)格為場(chǎng)路結(jié)合計(jì)算設(shè)計(jì)方案后，需要進(jìn)行電磁場(chǎng)分析的方案僅有25個(gè)，其余方案均可以通過(guò)路方法派生設(shè)計(jì)。電機(jī)型譜如表1所示。

總設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了約60%，大大提升了開(kāi)發(fā)效率。該設(shè)計(jì)方法已整合到電機(jī)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?yàn)檎麄€(gè)電機(jī)行業(yè)提供設(shè)計(jì)服務(wù)。

1.2 極數(shù)選擇分析

同一個(gè)功率和轉(zhuǎn)速，可對(duì)應(yīng)多個(gè)極數(shù)方案，進(jìn)而形成不同的極槽配合，對(duì)電機(jī)的性能有著不同的影響[7-8]。為了分析TYP系列永磁同步電機(jī)的較優(yōu)極數(shù)方案，本文以一臺(tái)160機(jī)座號(hào)，22 kW，1 500 r/min樣機(jī)為例，設(shè)計(jì)了如圖1所示的4極、6極和8極電磁方案，進(jìn)行有限元分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖1 不同極數(shù)電機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 系列電機(jī)型譜

通過(guò)計(jì)算得到電機(jī)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表2 參數(shù)匯總

可見(jiàn)，1 500 r/min額定轉(zhuǎn)速、電機(jī)的效率和其他性能參數(shù)相當(dāng)時(shí)，采用8極設(shè)計(jì)具有較低的成本、較低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和較高的效率。在本系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，3 000 r/min采用了6極設(shè)計(jì)，1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min電機(jī)采用了8極設(shè)計(jì)。

1.3 削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)設(shè)計(jì)

本系列電機(jī)采用V形內(nèi)插式永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案。為了降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)不同V形展開(kāi)角、極弧系數(shù)等多方案作對(duì)比[9-10]。

以一臺(tái)160機(jī)座號(hào)，22 kW，1 500 r/min，8極電機(jī)為例，分析不同極弧系數(shù)和V形展開(kāi)角下轉(zhuǎn)矩平均值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的變化。

如表3和圖2所示，改變電機(jī)的極弧系數(shù)，可得平均力矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是指轉(zhuǎn)矩的峰峰值與平均值的比。

表3 不同極弧系數(shù)的平均力矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

圖2 不同極弧系數(shù)的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

從圖2可知，隨著極弧系數(shù)增加到0.73，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，為1.16%。

當(dāng)極弧系數(shù)為0.708～0.719時(shí)，在最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)之間取得平衡。

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的磁鋼張角，然后計(jì)算不同磁鋼張角對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。為了比較相同成本方案，采用不同磁鋼張角并保持磁鋼總面積不變。計(jì)算結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 不同磁鋼張角平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

圖3 不同磁鋼張角下的平均轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)

根據(jù)分析結(jié)果，本系列電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用下列設(shè)計(jì)規(guī)范：

(1) 每極槽數(shù)6時(shí)，可采用4.25/6=0.708 3的極弧系數(shù)；

(2) 每極槽數(shù)9時(shí)，可采用6.25/9=0.694 4的極弧系數(shù)；

(3) 每極槽數(shù)12時(shí)，可采用8.25/12=0.687 5的極弧系數(shù)；

(4) V型磁鋼展開(kāi)角130°。

按上述設(shè)計(jì)規(guī)范，全系列電機(jī)的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)低于5%，保證了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

1.4 抗去磁能力分析

通過(guò)對(duì)電磁方案的仿真分析，通過(guò)校核的程序，得到如圖4所示去磁工作特性，其退磁曲線(xiàn)從左上到右下的三個(gè)點(diǎn)分別為空載工作點(diǎn)，額定負(fù)載工作點(diǎn)和過(guò)載工作點(diǎn)。過(guò)載是指兩倍額定電流過(guò)載。

圖4 磁鋼工作點(diǎn)

計(jì)算3 000 r/min和1 500 r/min額定轉(zhuǎn)速的各個(gè)規(guī)格，可以得到各工作點(diǎn)的磁密標(biāo)幺值和磁勢(shì)標(biāo)幺值。

其中兩倍額定電流過(guò)載去磁工作點(diǎn)磁密標(biāo)幺值如圖5所示。

圖5 兩倍額定電流過(guò)載去磁工作點(diǎn)磁密標(biāo)幺值

從圖5中可以看到，最低磁密標(biāo)幺值0.272。磁鋼均選用N38UH磁鋼，按100 ℃的曲線(xiàn)，其拐點(diǎn)的磁密標(biāo)幺值小于0，因此所有規(guī)格都可以保證在兩倍額定電流下不會(huì)發(fā)生去磁，并且具有較大的余量。

本系列電機(jī)設(shè)計(jì)采用下列規(guī)范來(lái)保證抗去磁能力：

(1) 磁鋼空載工作點(diǎn)磁鋼磁密標(biāo)幺值不低于0.7；

(2) 磁鋼額定工作點(diǎn)磁鋼磁密標(biāo)幺值不低于0.5；

(3) 磁鋼2倍負(fù)載電流工作點(diǎn)磁鋼磁密標(biāo)幺值不低于0.27；

(4) 磁鋼選用UH牌號(hào)，最高工作溫度180 ℃。

1.5 縮小機(jī)座號(hào)的機(jī)械性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)縮小機(jī)座號(hào)后，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。本系列電機(jī)設(shè)計(jì)針對(duì)軸伸鍵應(yīng)力、軸承載荷和壽命、軸的強(qiáng)度和剛度、軸的危險(xiǎn)截面安全系數(shù)等作了計(jì)算校核。通過(guò)計(jì)算分析，確定采用YE2(YX3)相同機(jī)座和鐵心三圓。3 000 r/min的系列機(jī)座采用YE2(YX3)系列異步電機(jī)2極機(jī)座、軸承、軸伸及軸伸鍵；1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min的系列機(jī)座采用YE2系列異步電機(jī)4極、6極和8極對(duì)應(yīng)機(jī)座、軸承、軸伸和軸伸鍵(YE2系列異步電機(jī)4極、6極和8極機(jī)座相同)。

針對(duì)V形內(nèi)插式轉(zhuǎn)子沖片，核算了加強(qiáng)筋的離心應(yīng)力。最高速(按3 000 r/min的1.2倍，即4 320 r/min)下由離心力引起的最大應(yīng)力不高于硅鋼片屈服強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)軸材料應(yīng)采用45#鋼，并作調(diào)質(zhì)處理。

1.6 安全性設(shè)計(jì)

因?yàn)闄C(jī)座號(hào)縮小和功率放大，應(yīng)按GB/T 14711—2013 《中小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用安全要求》檢查接線(xiàn)柱直徑要求和爬電距離。為保證機(jī)座和接線(xiàn)柱通用，部分縮小機(jī)座較多的規(guī)格，需要從3路出線(xiàn)改為2個(gè)3路(6路)出線(xiàn)(電機(jī)為星型接法)，以降低接線(xiàn)柱載流量。225和280機(jī)座3 000 r/min的規(guī)格需要改大接線(xiàn)板上螺栓的直徑。

2 成本對(duì)比

在電機(jī)材料成本方面，由于本系列電機(jī)普遍降低了機(jī)座號(hào)，在機(jī)座、端蓋等結(jié)構(gòu)件成本上顯然具有更低的成本。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，TYP系列變頻調(diào)速三相永磁同步電機(jī)和YE2(IP55)籠型三相異步電機(jī)比較，其有效材料成本如圖6和圖7所示。

圖6 3 000 r/min時(shí)TYP和YE2(IP55)不同轉(zhuǎn)矩規(guī)格的有效材料成本

圖7 1 500 r/min時(shí)TYP和YE2(IP55)不同轉(zhuǎn)矩規(guī)格的有效材料成本

上述有效材料成本按表5和表6的設(shè)定價(jià)格。

表5 YE2系列有效材料設(shè)定價(jià)格 元/kg

表6 TYP系列有效材料設(shè)定價(jià)格 元/kg

從上面對(duì)比可以看出，TYP系列變頻永磁同步電機(jī)的成本低于同功率YE2(IP55)，從而遠(yuǎn)低于YE4(IP55)三相異步電機(jī)。

3 樣機(jī)試制情況

按項(xiàng)目計(jì)劃任務(wù)書(shū)要求，選取不同功率、不同轉(zhuǎn)速的20個(gè)規(guī)格作為樣機(jī)方案試制，功率涵蓋0.55～315 kW四個(gè)轉(zhuǎn)速規(guī)格，如圖8所示。其中7臺(tái)典型規(guī)格樣機(jī)的型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

圖8 樣機(jī)型式試驗(yàn)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電機(jī)效率指標(biāo)均達(dá)到了IE5效率等級(jí)，超過(guò)了原定的IE4能效的設(shè)計(jì)要求。樣機(jī)全部規(guī)格可以在0.25倍額定轉(zhuǎn)速～1.0倍額定轉(zhuǎn)速之間恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，1.0倍額定轉(zhuǎn)速～1.2倍額定轉(zhuǎn)速恒功率調(diào)速，電機(jī)綜合性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。后續(xù)根據(jù)試驗(yàn)情況，降低了硅鋼片牌號(hào)，以使得電機(jī)效率保證為IE4。

表7 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)場(chǎng)路結(jié)合設(shè)計(jì)方法，完成了IE4效率等級(jí)TYP系列變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)4個(gè)轉(zhuǎn)速系列95個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，開(kāi)拓了國(guó)內(nèi)變速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。樣機(jī)大部分規(guī)格已達(dá)到IE5，為IE5效率等級(jí)的系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

在變頻調(diào)速的場(chǎng)合， TYP系列永磁同步電機(jī)的效率可以達(dá)到IE4和IE5，遠(yuǎn)超YVF2異步變頻電機(jī)；在型譜方面，TYP系列變頻調(diào)速三相永磁電機(jī)普遍降低了1～2個(gè)機(jī)座號(hào)，使得其成本低于YVF2等通用變頻電機(jī)；也可以通過(guò)縮短疊長(zhǎng)派生出與YVF2相同型譜的產(chǎn)品，以適應(yīng)舊設(shè)備的安裝尺寸。因此，在變頻調(diào)速的場(chǎng)合，TYP系列變頻調(diào)速三相永磁電機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)。