自起动永磁同步电动机稳态运行鼠笼电流分析*

贾宏新，符 荣，窦满锋

(1.上海电力学院，上海 200090;2.渭南师范学院，陕西渭南 714000;3.西北工业大学，陕西 西安 710072)

0 引言

永磁同步电动机(PMSM)不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时转子损耗小，进而可以减小风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗，效率比同规格异步电动机高2.8%。同时，PMSM在25% ～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。目前，PMSM主要应用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵等领域[1]。

具有自起动能力的稀土PMSM的定子与普通异步电动机的定子相同，转子上同时装设有鼠笼条和稀土磁钢，异步起动同步运行。它综合了异步电动机和同步电动机的优点，起动操作方便，运行时效率高、功率因数高，常用于油田抽油机。

国内、外的研究大多集中在转子结构和起动性能上[2-3]，对于稳态运行时的转子损耗，通常认为转子鼠笼条上不产生感应电流，即无稳态电流。而实际样机中，确实存在转子温升过高的问题，而且是鼠笼槽部的温度比齿部的温度高[4]。这说明，稳态运行时鼠笼条中一定存在电流，即存在稳态转子铜耗。

为了提高每相的电压，15 kW以上的自起动稀土PMSM的定子绕组有时采用△联接方式[3-4]，这势必会造成3及3倍数的谐波环流的存在。本文在文献[4]的基础上，对该类电机稳态运行时的谐波电流进行分析。

1 气隙磁场分析

采用有限元技术对某油田抽油机用稀土PMSM进行分析，该电机的主要技术参数如表1所示。

表1 电机主要技术参数

图1为该电机的转子结构示意图，方块形的永磁体镶嵌在转子中。由于永磁体产生的气隙磁场波形基本上是平顶波，同时定、转子开槽，使得气隙磁场波形呈锯齿形方波，其谐波分量很大。因此，PMSM气隙磁场波形比异步电动机的气隙磁场差，也比直流励磁的凸极电动机气隙磁场差。通常凸极同步电动机可以选择适当的极靴宽度和不均匀气隙长度来改善气隙磁场的波形，使之接近正弦波，而PMSM转子就很难加工成不均匀气隙长度。

图1 转子结构图

气隙磁场谐波分量在定子上以nf1频率交变(n为谐波次数，f1为基波频率)，使定子铁耗增加，谐波分量在定子绕组中感应谐波电动势，使定子铜耗增加，影响PMSM效率，同时，气隙磁场谐波分量还会产生谐波附加转矩，使起动过程中的电磁转矩产生振荡。因此，气隙磁场谐波分量对电动机运行和起动性能不利。

使用有限元软件MagNet分析的空载气隙磁场分布如图2(a)所示，气隙磁密波形如图2(b)所示，对气隙磁密进行谐波分析，得到图2(c)所示的各次谐波含量，可以看出，气隙中含有很高的3次谐波含量。含有系列谐波的气隙磁场在定子绕组中感应的反电动势和谐波分析分别如图3(a)、3(b)所示，相电势中含有较高的三次谐波分量。

图2 空载气隙磁场分析

2 齿槽转矩分析

齿槽转矩是永磁电机最重要的性能之一，它的存在会造成电机的转矩波动、振动和噪声。对于自起动PMSM，由于定、转子双边开槽，增加了齿槽转矩的复杂性。

图3 定子绕组反电动势波形

传统的解析分析是假设铁心的磁导率为无穷大，电机内的磁场能量近似为电机气隙和永磁体中的能量。考虑到永磁体嵌在铁心内部，可以认为其中的能量不随定、转子相对位置的变化而变化，进而不产生齿槽转矩，不予考虑。因此，可以认为齿槽转矩仅由气隙中的磁场能量产生，通过傅里叶展开，可以得到磁场能量和齿槽转矩[5]。这种电机的齿槽转矩分析比单边开槽的表面式永磁电机复杂。

本文采用数值分析，运用虚功法，由有限元仿真得出齿槽转矩如图4所示。

图4 齿槽转矩波形

3 稳态运行分析

PMSM定子绕组采用Y联接时，可以消除3及3倍数的谐波分量产生的影响。当定子绕组采用△联接时，气隙中的3次谐波磁场会在定子绕组中感应环流，该环流会形成极对数为3np的脉振磁场(np为电机极对数);当转子以同步速旋转时切割该磁场，阻尼绕组会感应6次谐波电流，进而产生6次脉振转矩，使转速产生波动。采用瞬态运动求解器，对△联接和Y联接两种方式进行对比仿真，仿真时设定外加的定子每相电压相同。

选取带额定转矩负载稳态运行时20 ms内的数据进行对比分析，如图5～9所示。从图5可以看出，稳态运行且采用△联接时，3次谐波电流达到了基波的77%。谐波产生的磁场在阻尼条中感应较高的电流(见图6、7)，进而产生谐波转矩(见图8)，引起转速的波动(见图9)。同时，分析了定子绕组采用Y联接的波形，可以看出，Y联接时电机电流谐波较小，阻尼电流、转矩、转速波动都比△联接时小。除了3次谐波环流产生阻尼电流外，定子5、7、9、11等谐波电流也会在阻尼绕组中产生谐波电流，例如定子5次和7次谐波磁通会在阻尼绕组中感应6次谐波电流。阻尼条中的电流主要包含6次及其倍数次谐波分量，对应的转矩也按照同样的谐波次数波动。

图5 定子每相电流波形

4 起动过程分析

采用△联接也会对起动过程产生不利影响，如图10所示。在接近同步速时，转矩有较大凹陷，不利于起动。

5 损耗分析

图6 阻尼条电流波形(编号为1，编号见图1)

图7 阻尼条电流波形(编号为4)

图8 转矩波形

图9 转速波形

图10 起动过程仿真

稳态运行的△联接样机，其转子温度可达到130℃。试验时，在电机转子鼠笼条的齿部和槽部都埋有温度传感器，对稳态运行的电机进行多次测量，结果总是槽部的温度明显高于齿部的温度。这反映出，运行时鼠笼条中一定存在电流和铜损耗。

根据负载稳态运行的仿真结果，计算出鼠笼条的电流和铜耗(笼条铜耗，pcu2)，电机转子齿数为44，可计算出稳态运行时的转子铜耗。两种定子绕组联接方式下的结果如表2所示，表中数据为稳态运行20 ms内的平均损耗值，其中笼条编号见图1中的标注。

从表2可以看出，△联接时的稳态笼条铜耗为250.24W，占额定输出功率的1.137%，而Y形联接时，稳态笼条铜耗为91.85 W，只占到0.418%。无论何种方式，稳态笼条铜耗对于自起动稀土PMSM都是不可忽视的。在设计电机时，应该考虑到稳态转子铜耗的影响，这对于提高电机效率，增强电机性能有实际意义。

表2 笼条损耗(平均损耗值)

6 结语

从本文的理论和仿真分析可以看出:由于谐波磁场的作用，稳态运行的自起动稀土PMSM鼠笼条中有电流流过，产生转子铜耗。定子绕组采用△联接时，阻尼电流和损耗会大大增加，进而使得转子温升增大。因此，该类电机的定子绕组宜用Y形联接，慎用△联接，以降低阻尼电流和转子铜耗，减小温升和转矩转速波动。下一步将对转子结构，特别是阻尼槽的结构进行优化设计和分析。

[1]唐任远.稀土永磁电机的关键技术与高性能电机开发[J].沈阳工业大学学报，2007，27(2):162-166.

[2]吴亚麟.稀土永磁同步电动机气隙磁场的研究[J].中小型电机，2004，31(5):32-34.

[3]薄保中，苏彦民，谢力华，等.抽油机用稀土永磁同步电动机的研制[J].微电机，2000，33(5):48-49.

[4]符荣，窦满锋，贾宏新.稀土永磁同步电动机稳态运行的转子铜耗分析[J].微特电机，2006(6):11-13.

[5]王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社，2007.

[6]李智，张晓锋.一种分析同步电机阻尼绕组中感应电流的方法[J].船电技术，2007，27(1):9-12.