永磁自起动电动机转子结构与起动性能相关性分析

陈景易，陈文彪，夏德媛

(1．哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150040;2．大庆供电电器设备有限公司，黑龙江 大庆163454)

0 引言

近年来，自起动永磁同步电动机以高效率、高功率因数等优点受到广泛关注，尤其在高能耗行业使用越来越受到重视，因此，现阶段对自起动永磁同步电动机进行深入研究势在必行。本文以6 kV、315 kW高压永磁自起动同步电动机为例，分析了永磁同步电动机的起动过程、牵入同步过程、以及牵入同步转速后的过载能力状况。详细研究了起动笼条的结构、材料、笼型以及转子铁心和永磁体排列方式的变化等因素对起动性能带来的影响。

1 求解模型及定解条件

1.1 求解数学模型

采用场路耦合的有限元法研究自起动永磁同步电动机的瞬态起动性能，这种方法考虑了磁路饱和与涡流的影响，计算结果较为精确［1－3］。将自起动永磁同步电动机模型做二维近似处理，忽略位移电流，因此自起动永磁同步电动机内电磁场的瞬态边值问题可用麦克斯韦方程表述:

式中，A为矢量磁位，Ω为求解区域，Γ1为定子外圆和转子内圆边界，Γ2为永磁体边界圆，Js为永磁体等效电流密度，μ为磁导率，JZ为励磁电流密度，σ为材料电阻系数［4－5］。

1.2 求解的物理模型

永磁电机运行时所需的磁通由永磁体提供，根据6 kV、315 kW样机的具体需求，永磁体的排列方式选用内置切向结构。12块永磁体在转子上沿圆周均匀分布，组成6个极;在永磁体靠近气隙的位置安装不导磁槽楔，用来防止运行过程中永磁体的甩落;同时在永磁体与转轴之间安装了隔磁套环，可以起到减小漏磁的作用。自起动永磁同步电动机的二维结构模型如图1所示。

图1 高压永磁自起动同步电动机的结构模型

1.3 定解条件

由于永磁体的存在，导致自起动永磁同步电动机在起动过程中存在转矩脉动变化，因此为了便于分析，将起动过程中的某一瞬态，认为是电动机处于异步转速下的稳定运行状态。

2 影响起动性能因素分析

根据永磁同步电动机的平均转矩－转速曲线可以大致判断出电动机牵入能力的优劣，如图2所示。在接近同步转速时，如果曲线能够保持一定的陡度，则说明永磁电动机具有较高的牵入同步能力，否则说明永磁电动机的牵入同步能力不足。

图2 自起动永磁同步电动机牵入同步能力曲线

起动永磁同步电动机的结构对牵入能力也有一定的影响，其中永磁体对电动机的影响非常特殊。使用剩磁密度和磁能积较高的永磁体能产生较高的反电动势，而反电动势的增加将会影响永磁电动机牵入同步能力，主要表现在两个方面:一是使电动机的电磁转矩增大，有利于提高牵入同步能力;另一方面是引起永磁体的制动转矩增大，使得平均转矩降低，造成牵入同步开始时的转差率增大，导致牵入能力下降。因此设计时需要考虑到永磁体对牵入同步能力影响的两面性，一味选取磁能积高的永磁体并不一定能提高电动机性能［6－8］。

起动笼条对自起动永磁同步电动机牵入性能的影响也很重要。起动笼条的改变会引起转子电阻值的变化，转子电阻越小，在接近同步速时，牵入转矩就越大，从自起动永磁同步电动机的牵入能力来考虑，较小的转子电阻能够获得较好的牵入性能。但是，自起动永磁同步电动机在低速自行起动时，需要足够大的起动转矩来克服同步制动转矩和负载转矩，而适当增大转子电阻，可以获得较大的起动转矩，因而转子电阻不允许太小［9］。这个矛盾问题的存在，使得在选取转子起动笼条时要慎重考虑，研究表明采用双笼或者复合笼结构可以取得优良的效果。

3 仿真结果分析

3.1 起动性能分析

采用瞬态场对永磁电动机启动过程中的磁场进行分析，起动过程中的磁场分布如图3所示。

图3 磁场分布图

由图3可以看出:在0.2 s时，永磁同步电动机处于起动状态，由于集肤效应的作用，磁力线明显集中在转子表层;当1.0 s时，电动机已进入稳定运行状态，集肤效应消失，磁力线分布呈现出极好的对称性，并且均匀的分布在转子内。

为方便计算，本文先将起动笼条数增加到12根，然后，对电动机运行时的转矩以及转速随时间的变化情况进行数值仿真，其结果如图4所示，由图可以看出，转矩及转速波动频率较高。

3.2 不同转子结构的起动性能分析

为了深入分析采用Halbach阵列永磁体的新型结构时电动机的起动性能，本文分别对采用切向永磁体、混合式永磁体、以及Halbach阵列永磁体的电动机进行了仿真，并将结果进行对比分析。

图4 叠片式转子12根笼条起动特性曲线

图5为不同充磁方向的磁力线分布图。从图5中发现，Halbach阵列结构的电动机磁力线最为集中，而且转子隔磁套环处没有磁力线通过，可见将Halbach阵列结构运用在自起动高压永磁同步电动机中可以起到集中磁密的作用，而且能够降低高压永磁电动机的体积和重量，这对提高电动机的功率密度极为有利。而对于切向永磁体和混合式永磁体的电动机，在不考虑成本和工艺的情况下，混合式永磁体的气隙磁通分布要优于切向永磁体，漏磁更少而且磁力线分布更加紧密。

图5 不同充磁方向永磁体磁场图

图6为气隙处磁密和各次谐波磁密的分布图。对比3幅波形图，Halbach阵列与混合式永磁体结构电动机的气隙磁密波形的正弦性明显优于切向式永磁体结构。对于混合式永磁体结构的电动机，其气隙磁密在一个周期内出现了正负波形不对称的现象，在正半周期内，波形具有较好的正弦性，但是在负半周期内，波形出现了“内凹”现象，这是由于切、径向永磁体相互作用的结果。从谐波图形来看，采用Halbach阵列后，电动机的谐波大大减少，三次谐波的幅值几乎为零，五次谐波的幅值也明显低于切向永磁体和混合式永磁体结构;混合式永磁体与切向式永磁体的三次谐波幅值相差无几，但前者的五次谐波幅值高于后者。

图6 不同充磁方向永磁体的气隙磁密波形图

图7给出了Halbach阵列自起动高压永磁电动机起动过程中转速随时间的变化关系，从图7中曲线可以看出，与使用切向式永磁体的原结构高压永磁电动机相比，采用Halbach阵列永磁体结构时，电动机的起动性能更加优良，从零转速加速到牵入同步速仅需0.5 s，时间上缩短了0.1 s。而且在电动机起动时，转速曲线爬升的陡度更大，从起动到牵入的过渡过程更为平稳，可见改进后的电动机具有更好的起动能力和牵入能力。

图7 Halbach阵列自起动高压永磁电动机起动过程转速图

4 结论

通过建立二维电磁场求解模型，对自起动永磁同步电动机在不同转子结构下起动性能进行分析研究，得出如下结论。

1)将Halbach阵列永磁体新型结构应用在自起动高压永磁电动机中合理可行的;

2)采用Halbach阵列永磁体结构具有集中磁密的作用，而且能够降低高压永磁电动机的体积和重量，提高电动机的功率密度;

3)与切向永磁体以及混合式永磁体相比，采用Halbach阵列永磁体结构能够明显改善气隙处的磁密波形，有效抑制谐波;

4)采用Halbach阵列永磁体新型结构时，自起动永磁同步电动机从零转速加速到牵入同步速仅需0.5 s，时间上缩短了0.1 s，表现出优良的起动性能和牵入能力。

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