自起动永磁同步电机不同转子磁路结构的对比研究*

宋中阳， 刘明基， 李和明， 陈伟华

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206;2.上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

0 引言

与传统异步电机相比，自起动永磁同步电机(Line-Start Permenent Magnet Sycchronoys Motor，LSPMSM)具有功率因数高、效率高等优点，已成为高效甚至超高效节能电机的一个重要发展方向，因此得到越来越多的重视和研究［1］。自起动永磁电机设计中的关键问题之一是磁路结构的选择，即转子永磁体的放置方式。由于永磁体通常放置在转子上，其形状、尺寸及放置方式影响到永磁体用量、气隙磁密乃至电机的性能。根据永磁体放置的位置不同，分为表面式和内置式两种转子结构。但表面式转子结构的起动导条在转子内部产生的异步起动转矩较小，仅适合于起动性能要求不高的场合，对起动性能要求较高的自起动永磁电机多采用内置式转子结构。内置式转子磁路结构可分为并联式、串联式和串并混联式。并联式结构的缺点是电机正反转时电枢反应程度不同，造成运行性能的不同，目前已较少采用［2-3］。因此关于自起动永磁电机转子磁路结构的研究多集中在串联式和串并混联式结构上。文献［4］研究了在保证其他各种参数不变的前提下永磁体嵌放深度对LSPMSM运行性能的影响。文献［5］计算分析了串联式U型转子磁路结构永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)的隔磁措施对极间漏磁系数的影响。Kazumi Kurihara设计了切向磁路结构的PMSM，并用时步有限元方法研究了电机的稳态和过渡过程的性能［6］。文献［7］分别对串联式结构中的 U型、W型永磁转子结构的PMSM进行设计，利用场－路结合的方法计算了不同转子结构电机参数，并对两种转子磁路结构的起动性能仿真，分析了不同转子结构对PMSM性能的影响。文献［8］计算了U型、W型转子结构的电抗参数，并给出了电抗参数随气隙长度、永磁体磁化长度及隔磁桥尺寸变化的规律。在文献［9］中，作者提出了一种内置混合式结构的可控磁通PMSM。但是对串联式结构和串并混合式结构进行对比研究的文献并不多见。

本文对采用V型、U型及混合型三种转子磁路结构的6极22 kW LSPMSM进行设计，分析了3台电机的空载气隙磁场，并利用时步有限元程序对三种结构电机的起动过程分别进行仿真，对比分析了不同转子磁路结构对LSPMSM性能的影响。

1 转子磁路设计

本文研究的三种不同磁路结构的PMSM除转子磁路结构不同外，其他结构及尺寸都相同。定子部分采用异步电机Y200L2-6定子尺寸参数，设计的永磁电机具体参数如表1所示。三种磁路结构的PMSM转子永磁体分别采用V型、U型及混合型布置，其截面示意图如图1所示。

为了使三种结构永磁电机的空载气隙基波磁密相等，在保证转子槽和永磁体间的隔磁磁桥长度及宽度相同的情况下，可以调整V、U及混合型永磁体的尺寸。因此，不同转子结构的永磁体的磁化方向长度和宽度均不完全一样，从而使得PMSM的参数和性能也随之改变。

表1 LSPMSM的主要参数

图1 不同转子磁路结构LSPMSM截面示意图

2 空载磁场分析

ANSYS是当前使用广泛、功能强大的有限元软件之一。本文利用ANSYS软件，分别建立了V型、U型及混合型转子结构的LSPMSM的二维有限元模型，对空载气隙磁场进行计算，并对磁密波形进行了谐波分析，得到气隙磁密的计算结果如表2所示，气隙磁密基波及各次谐波幅值如图2所示。

可以看出，V型结构的气隙磁密谐波含量最少，而混合型结构的气隙磁场含有最丰富的谐波，谐波含量高达36.74%，这会导致永磁电机中含有比较大的谐波电势和谐波电流，并引起电机铁心损耗的增大及振动噪声。

表2 不同转子结构空载磁场计算结果

图2 不同结构电机空载气隙磁密基波及谐波的分析对比

三种结构的永磁体用量如表3所示。

表3 不同转子磁路结构的永磁体用量

在电机空载气隙基波磁密相等的条件下，混合型结构磁钢用量最少，V型结构和U型结构的用量分别比其多14.38%和31.99%，这是因为混合型结构的空载漏磁系数最小，U型结构的最大，可从表1看出。由此可知，混合型结构的永磁体利用率最高，U型结构最低。

3 空载电动势分析

内置式LSPMSM由于交直轴磁路结构的不同，其使交直轴磁阻不相等，表现出明显的凸极效应。根据双反应理论写出的PMSM电压方程为［1］

对于LSPMSM，通常保持永磁励磁电动势E0小于并接近于UN，以获得接近于1的功率因数，并且E0满足这一要求还可使PMSM在不同负载下效率都比较高，获得较宽的经济运行范围［1，3］，E0值过高会造成永磁体浪费。

利用时步有限元方法求得的三种不同磁路结构PMSM的空载电动势波形如图3所示。

图3 不同结构电机的空载电动势波形图

V型、U型、混合型结构的反电势基波幅值分别为304.833 V、305.717 V及307.882 V，反电势总谐波含量分别为9.32%、10.75%及14.85%，各次谐波含量如图4所示。由以上可知，混合型结构的反电势基波幅值最接近于额定电压，有益于电机获得较宽的运行范围;V型结构的反电势波形正弦度最好，可降低由谐波电势引起谐波电流进而产生的波动力矩。

图4 不同结构电机空载反电势谐波对比

4 PMSM起动过程的仿真

为了分析不同转子磁路结构对起动性能的影响，本文采用了时步有限元法［10-12］对LSPMSM的起动过程进行了仿真。有限元剖分的精度和时间步长的选择会影响计算结果，根据多次计算所得的经验，电机的剖分精度在ANSYS中取5，时间步长取0.000 1 s较为合适。三种不同磁路结构电机额定负载的起动转速曲线如图5所示。

图5 不同磁路结构永磁电机额定负载起动的转速曲线

从图5可看出，V型结构和U型结构的转速曲线上升趋势基本一致，而混合型结构转速曲线的上升趋势与两者有略微差别。混合型结构电机异步起动时在0.58 s处超过同步速，达到最大转速1 024 r/min，在0.8 s时牵入同步转速;V型结构也在0.58 s处超过同步速，达到最大转速1 056 r/min，在0.89 s时牵入同步转速;U型结构在0.6 s处超过同步速，达到最大转速1 045 r/min，在0.93 s时牵入同步转速。三种结构电机的起动电流倍数、起动转矩倍数如表4所示。

表4 不同磁路结构电机的起动电流倍数和起动转矩倍数

同时运用时步有限元方法计算了额定负载下电机牵入同步后的力矩波动，如图6所示，其中V型、U型、混合型的力矩波动分别为额定转矩的±15.6%、±18.5%及±17.3%。

图6 不同磁路结构永磁电机的力矩波动

由以上分析可知，混合型结构电机的起动过程最平滑、超调时间最短、牵入能力最好，而且起动电流倍数最小、起动转矩倍数最大，是三者中起动性能最优秀的，并且磁钢用量最少，V型结构电机次之。当电机牵入同步速后，V型结构电机的力矩波动最小，有利于电机的稳定运行及降低电机噪声。

5 结语

本文针对6极22 kW LSPMSM的V型、U型及混合型转子磁路结构，采用时步有限元方法对电机的空载磁场、空载电动势及起动性能进行了对比研究，得出结论:不同转子磁路结构对永磁电机的空载气隙磁场、空载电动势、磁钢用量、起动性能、力矩波动等性能产生影响，针对不同应用场合需要慎重选择。

(1)若要求电机具有较高的起动性能及牵入能力，可采用混合型转子结构，该结构还有永磁体利用率高的优点，但以增加损耗、运行噪声大为代价。

(2)若要求电机稳定运行、噪声小、损耗小，可采用V型转子结构，但其永磁体用量多于混合型结构，并且起动性能劣于混合型结构。

永磁电机定子斜槽时会显著改善电机的力矩波动，因此定子斜槽时不同磁路结构永磁电机的起动及稳态性能对比成为进一步需要研究的内容。

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