王曉光，胡 雄，周 晟

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

0 引 言

與普通異步電機(jī)相比，異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)有著更高的效率和功率因數(shù)，受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[1]提出了一種新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，充分利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩增加電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能。文獻(xiàn)[2]提出了一種不對(duì)稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在增大異步轉(zhuǎn)矩的同時(shí)減小了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)的起動(dòng)性能。文獻(xiàn)[3]利用現(xiàn)有感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一款滿足IE4效率等級(jí)的異步起動(dòng)磁阻同步電機(jī)，并給出了穩(wěn)態(tài)工況下電機(jī)的效率和對(duì)應(yīng)的電壓，電流波形。雖然異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)得到了廣泛的研究，但是由于其復(fù)雜的設(shè)計(jì)、以及釹鐵硼永磁體高昂的價(jià)格使得異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)未能得到廣泛應(yīng)用[4]。

鐵氧體永磁材料由于其良好的高溫性能、低廉的價(jià)格,受到越來越多的關(guān)注[5]。相較于釹鐵硼永磁材料，剩磁較小的鐵氧體可有效降低起動(dòng)過程中產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但同時(shí)也降低了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩[6]。為此，本文研究了一種基于鐵氧體永磁材料的新型異步起動(dòng)永磁輔助式同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子多層磁鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地增加電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩；提出了一種新型的轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條排布方式，解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子多層永磁體和鼠籠導(dǎo)條在空間上的沖突，并提高了電機(jī)的起動(dòng)性能；最后采用有限元方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行了建模和仿真分析，結(jié)果表明本文的電機(jī)結(jié)構(gòu)具有較好的起動(dòng)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

1 異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩解析

鐵氧體剩磁較低，若僅僅依靠永磁磁場和電樞反應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩很難滿足電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩[7-8]。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式如下：

(1)

式中:Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；m為相數(shù)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；U為相電壓；E0為空載反電動(dòng)勢；ωs為電機(jī)同步電角速度；Xq，Xd分別為交、直軸電抗；θ為功角。

由式1可知，電磁轉(zhuǎn)矩由電樞反應(yīng)磁場和永磁體磁場相互作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩以及由交、直軸磁阻不同引起的磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。要增大磁阻轉(zhuǎn)矩，需增大電機(jī)交、直軸電感的差值，本文提出的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路是提高電機(jī)的凸極比，提高電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，從而彌補(bǔ)鐵氧體永磁體剩磁較弱導(dǎo)致的永磁轉(zhuǎn)矩小的弊端。

異步起動(dòng)永磁輔助式同步電機(jī)在牽入同步轉(zhuǎn)速之前，整個(gè)起動(dòng)過程主要有異步轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及磁阻轉(zhuǎn)矩3種轉(zhuǎn)矩。異步起動(dòng)永磁輔助式同步電機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩表達(dá)式與普通異步電機(jī)一致，如下：

(2)

(3)

式中:Xaq，Xad為交、直軸電樞反應(yīng)電抗。從式(2)和式(3)可以看出，影響異步轉(zhuǎn)矩的主要因素是定子繞組相電壓，定、轉(zhuǎn)子電阻及電抗。其中轉(zhuǎn)子電阻的阻值主要受起動(dòng)籠的影響。

異步轉(zhuǎn)矩的大小直接決定了電機(jī)的起動(dòng)能力。而永磁體的存在，在異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)的起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其表達(dá)式如下：

(4)

式中：Tg為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Xq，Xd分別為交、直軸電抗。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與空載反電動(dòng)勢E0的平方成正比，而空載反電動(dòng)勢E0與永磁體的剩磁密度成正比，鐵氧體剩磁較低決定了基于鐵氧體的異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)在起動(dòng)過程中的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相對(duì)較低，有利于異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)以及牽入同步。這是鐵氧體異步起動(dòng)永磁輔助式同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

由式(4)可以看出，通過異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)模型解析可知，優(yōu)化轉(zhuǎn)子導(dǎo)條以及端環(huán)尺寸可以提高異步轉(zhuǎn)矩，從而提高起動(dòng)能力以及同步能力。優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可提高磁阻轉(zhuǎn)矩，從而降低電流提高功率因數(shù)。但亟待解決的問題是多層磁鋼結(jié)構(gòu)以及起動(dòng)籠尺寸與有限轉(zhuǎn)子空間之間的沖突。

2 基于鐵氧體的異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鐵氧體異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)

異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)的起動(dòng)籠設(shè)計(jì)直接決定了電機(jī)的起動(dòng)能力。由于鐵氧體的性能較差，為了提高電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，電機(jī)轉(zhuǎn)子多采用多層“U”形結(jié)構(gòu)，每層轉(zhuǎn)子槽內(nèi)放置鐵氧體。多層的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有效地增加了轉(zhuǎn)子的凸極比，從而增加電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。

為了方便與異步電機(jī)性能做比對(duì)分析，本文選擇同功率等級(jí)的風(fēng)機(jī)用異步電機(jī)為參考，異步電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 相同功率的異步電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)異步電機(jī)的功率和尺寸等數(shù)據(jù)，本文以一臺(tái)15 kW風(fēng)機(jī)用異步起動(dòng)鐵氧體永磁電機(jī)為例，建立了電機(jī)有限元仿真模型，轉(zhuǎn)子為四極結(jié)構(gòu)，使用的鐵氧體牌號(hào)為FB14H(TDK公司)。為減少諧波磁通造成的脈振損耗以及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間的橫向電流損耗，本文選擇定子30槽轉(zhuǎn)子24槽的近槽配合方案。傳統(tǒng)的基于鐵氧體的異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

2.2 新型異步起動(dòng)鐵氧體永磁同步電機(jī)

電機(jī)的起動(dòng)籠設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的起動(dòng)性能影響較大。傳統(tǒng)異步電機(jī)和異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)大多將轉(zhuǎn)子導(dǎo)條均勻地布置在轉(zhuǎn)子的外表面，永磁體布置在轉(zhuǎn)子內(nèi)。而這樣的結(jié)構(gòu)并不適用于鐵氧體異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)，因?yàn)殍F氧體電機(jī)轉(zhuǎn)子層數(shù)較多，需要的轉(zhuǎn)子空間較多。

為此，本文提出了一種將起動(dòng)籠導(dǎo)條和鐵氧體放置在同一“U”形槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式，如圖1(b)所示。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的放置方式，既保證了電機(jī)的起動(dòng)力，又能起到隔磁作用，使有限的轉(zhuǎn)子空間得到了充分的利用，同時(shí)也增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與本文提出的新型結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能對(duì)比如圖2、圖3所示。

(a) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(b) 新型結(jié)構(gòu)

由圖2中可以看出，新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)起動(dòng)性能及同步能力由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)，整個(gè)起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波形未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。圖3顯示，新型結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率小，穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖2 起動(dòng)性能對(duì)比

圖3 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩性能對(duì)比

綜上，本文的新型結(jié)構(gòu)電機(jī)的起動(dòng)性能以及穩(wěn)態(tài)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)。

為了詳細(xì)分析導(dǎo)條的排布方式對(duì)電機(jī)性能的影響，本文對(duì)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)性能進(jìn)行有限元仿真分析，圖4為本文的兩種轉(zhuǎn)子導(dǎo)條放置形式對(duì)比示意圖。

(a) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1

(b) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2

由圖4中的兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案可以看出，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2均是將起動(dòng)籠的導(dǎo)條放置于“U”形槽內(nèi)、靠近轉(zhuǎn)子表面的位置，均采用矩形結(jié)構(gòu)。主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子槽中的導(dǎo)條是否垂直于轉(zhuǎn)子外圓。

為了驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響，本文對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行了有限元仿真分析。圖5為兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案的氣隙磁密、反電動(dòng)勢的仿真波形以及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩對(duì)比波形，表2為相關(guān)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比。

(a) 氣隙磁密波形

(b) 反電動(dòng)勢波形

(c) 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波形

觀察圖5中靜態(tài)氣隙磁密、空載反電動(dòng)勢以及表2中的數(shù)據(jù)可知，兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案的電靜態(tài)氣隙磁密、空載反電動(dòng)勢波形畸變率較低，這也決定了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較低，電磁性能好。而且兩種結(jié)構(gòu)的效率都能達(dá)到95%，功率因數(shù)能達(dá)到0.94。由仿真結(jié)果可知，雖然本文的異步起動(dòng)永磁電機(jī)采用了性能較差的鐵氧體永磁，但是本文提出的新型電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能很好地利用了電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相當(dāng)。但是額定電流降低了14.3%，效率提高了7%，功率因數(shù)提高了9%。

表2 兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案的仿真結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能的影響，本文對(duì)電機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析，兩種結(jié)構(gòu)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖6所示。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形對(duì)比

由圖6的轉(zhuǎn)速波形對(duì)比可以看出，結(jié)構(gòu)1的起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，而兩者空載反電動(dòng)勢有效值一致，表明其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩一致。造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重的原因可能在于起動(dòng)籠導(dǎo)條布置不同。起動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)1趨膚效應(yīng)在導(dǎo)體中分布不均勻，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯。綜合比較之下，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2能兼顧起動(dòng)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

3 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)異步電機(jī)性能較差，而釹鐵硼異步起動(dòng)永磁電機(jī)成本高的問題，本文研究了一種基于鐵氧體的新型異步起動(dòng)永磁輔助式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)。

1) 研究了一種導(dǎo)條非均勻布置的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，解決鐵氧體多層結(jié)構(gòu)以及起動(dòng)籠與轉(zhuǎn)子有限空間之間的沖突，有效地提高了電機(jī)的性能。

2) 對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的擺放角度對(duì)電機(jī)的性能影響進(jìn)行了研究，得到了轉(zhuǎn)子導(dǎo)條垂直與轉(zhuǎn)子表面的布置方式綜合性能最佳的結(jié)論。

3) 相比于同功率的異步電機(jī)，本文的異步起動(dòng)鐵氧體永磁電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電流降低了14.3%，效率提高了7%，功率因數(shù)提高了9%。

本文的鐵氧體新型結(jié)構(gòu)異步起動(dòng)永磁電機(jī)，為低成本高效能電機(jī)的發(fā)展提供了新的解決思路。