异步起动表面-内置式永磁转子同步电机特性分析及优化

司纪凯 张露锋 封海潮 朱艺锋 Wenping Cao

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院 焦作 454003 2.阿斯顿大学工程与应用科学学院 伯明翰)



异步起动表面-内置式永磁转子同步电机特性分析及优化

司纪凯1张露锋1封海潮1朱艺锋1Wenping Cao2

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院 焦作 454003 2.阿斯顿大学工程与应用科学学院 伯明翰)

提出一种异步起动表面-内置式永磁转子同步电机(LSSIPMSM)，LSSIPMSM通过定子旋转磁场和转子起动铜层间的相互作用产生异步起动转矩。采用解析和有限元法相结合的方法对LSSIPMSM进行性能分析及关键参数优化，研究了起动铜层厚度、永磁体厚度等参数对起动性能和同步运行性能的影响，从而确定最优的铜层厚度和永磁体厚度。建立LSSIPMSM的电磁场有限元模型，分析LSSIPMSM在永磁体不同退磁状况下的起动性能和同步运行性能，并通过三维温度场有限元模型分析了不同退磁状况下的温度场分布。通过仿真结果的对比分析，验证了LSSIPMSM具有较好的动态性能和稳态性能。

表面-内置式永磁转子同步电机 异步起动 退磁 温度场 动态性能 稳态性能

0 引言

异步起动永磁同步电机具有异步感应电机和永磁同步电机的特点，能够实现异步起动，无需起动设备，在一些要求高效率、高功率因数和高起动品质的场合得到了广泛应用。

文献[1]提出了一种采用实心转子环实现异步起动的轴向磁通永磁同步电机，并通过有限元法分析了电机的起动性能和同步性能。对比分析了一些内置式永磁转子或表面式永磁转子等拓扑结构的异步起动永磁同步电机的起动性能和同步运行性能，并通过研究电磁参数对不同拓扑结构电机运行性能的影响，确定其最优参数[2-7]。文献[8]采用反应曲面和有限元相结合的方法优化一种单相异步起动永磁同步电机，使电机的转矩密度和效率达到最大。文献[9]研究了异步起动实心转子永磁同步电机，采用场路耦合的有限元方法分析了电机的起动性能和同步性能。

异步起动永磁同步电机在起动阶段会在定子中产生较大的起动电流，形成一个外部退磁磁场，外部退磁磁场过大时会造成永磁体永久性失磁[10，11]。在稳态运行阶段影响永磁体退磁的主要因素是电机的温度，温度的增加会使永磁体退磁进一步恶化，并且永磁体退磁对电机的运行性能有很大的影响[12]。因此准确分析异步起动永磁同步电机的起动冲击电流和温度分布非常重要。而对于电机温度分布的研究主要利用磁场-温度场耦合分析的方法[13-16]。

本文提出一种异步起动表面-内置式永磁转子同步电机(Line-Start Surface-mounted and Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, LSSIPMSM)的结构，建立LSSIPMSM的解析和有限元模型。首先优化影响电机运行性能的铜层厚度和永磁体厚度等关键参数，然后研究了永磁体退磁对起动性能、同步运行性能和温度的影响。

1 LSSIPMSM的结构与参数

在永磁体用量相同的情况下，笼型异步起动表面式永磁同步电机的异步起动性能差，笼型异步起动内置式永磁转子同步电机的稳态运行带载能力差[4]。针对现有异步起动永磁同步电机存在的一些问题，提出了一种LSSIPMSM，将表面式永磁体和内置式永磁体在磁路中形成串并联，在表面式永磁体和转子铁心之间均匀敷铜层，定子旋转磁场和起动铜层相互作用产生异步起动转矩。在产生相同气隙磁通密度的情况下，采用表面式永磁体(Surface-mounted Permanent Magnet, SPM)结构、内置式永磁体(Interior Permanent Magnet, IPM)结构和表面式永磁体与内置式永磁体(Surface-Mounted and Interior Permanent Magnet, SIPM)混合的磁路结构下的永磁体用量见表1。

表1 三种结构永磁体用量

虽然永磁体用量有一定的增加，但其具有较好的异步起动能力，并且同步运行阶段的过载能力大，漏磁较少，转矩波动也较小[17]。

LSSIPMSM的三维结构如图1所示。初步电磁参数见表2。

图1 LSSIPMSM结构Fig.1 The structure of LSSIPMSM

表2 LSSIPMSM结构参数

2 LSSIPMSM的解析模型

LSSIPMSM的起动过程是从静止状态到电机的同步运行阶段，在起动过程中的电磁转矩主要包括异步转矩、永磁制动转矩和磁阻转矩。

LSSIPMSM的永磁制动转矩和磁阻转矩合成后可表示为[3]

(1)

式中，m为相数；p为极对数；Ld、Lq分别为直轴和交轴同步电感；E0为空载反电动势；ω为电角速度；R1为定子绕组电阻；s为转差率。

从式(1)可以看出，空载反电动势、交轴和直轴电感的改变可以影响制动转矩。E0的表达式为

(2)

式中，f为电源频率；N1为每相绕组串联匝数；Br为剩磁密度；hm为永磁体厚度；σ为漏磁系数；μr为相对磁导率；δ为气隙长度；ks为主磁路饱和系数；kδ为气隙系数；Kw1为绕组系数。

由式(2)可以看出绕组匝数、永磁体厚度和剩磁密度是影响空载反电动势的主要参数。LSSIPMSM的异步转矩可表示成普通异步感应电机的转矩表达形式，即

(3)

(4)

式中，Lad、Laq分别为直轴和交轴电枢反应电抗。

从式(3)和式(4)可以看出影响异步转矩的主要因素是定子绕组外加电压、转子电阻及定、转子交轴和直轴电枢反应电抗。而转子电阻的阻值主要受起动铜层厚度的影响。LSSIPMSM在起动过程中，转子机械运动方程为

(5)

式中，Tl为负载转矩；Cv为粘滞摩擦系数；Ω为转子机械角速度；J为转子和负载总的转动惯量。

Ta和Tg的合成转矩必须大于负载转矩和空载转矩，LSSIPMSM才能实现异步起动，并且起动时的加速度和合成转矩的大小呈正比。当电机达到同步运行状态时，异步转矩可以忽略，永磁体产生的转矩变为驱动转矩，在同步运行阶段LSSIPMSM的电磁转矩为

(6)

式中，θ为功角。

式(6)第一部分为永磁转矩，第二部分为磁阻转矩，此时的转子机械运动方程为

(7)

从式(6)、式(7)可以看出，电磁转矩等于负载转矩和空载转矩时LSSIPMSM同步稳态运行，在相数、外加电压、极对数和转速不变的情况下，电磁转矩主要受空载反电动势和功角的影响。

通过LSSIPMSM解析模型的分析可得，优化永磁体厚度和起动铜层厚度可以达到优化LSSIPMSM起动性能和稳态运行性能的目的。

3 仿真与分析

3.1 电机参数对电机性能的影响

LSSIPMSM起动转矩主要包括受起动铜层厚度影响的异步转矩和受永磁体厚度影响的制动转矩，因此通过有限元的方法研究铜层厚度和永磁体厚度对电机运行性能的影响，确定最优参数。利用初步设计的电磁参数建立LSSIPMSM的有限元模型，稳态时电磁场分布如图2所示。

图2 LSSIPMSM的磁场分布Fig.2 Electromagnetic field of LSSIPMSM

从图2可以看出，在稳态运行时，采用表面式永磁体和内置式永磁体串联时LSSIPMSM几乎没有漏磁，并且能提供较高的气隙磁通密度。LSSIPMSM的反凸极性也能够提高电机稳态运行时的过载能力。

3.1.1 铜层厚度的影响

分别建立0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm铜层厚度的LSSIPMSM的有限元模型，求解结果如图3和表3所示。

图3 空载和额定负载下的起动性能Fig.3 The starting performances of LSSIPMSM with no-load and rated load

表3 额定负载下不同铜层厚度时的效率和功率因数

图3a为空载时LSSIPMSM的起动速度曲线。从图中可以看出铜层厚度对电机的空载起动性能影响很小，在0.3 s附近达到同步稳态运行状态。主要原因是开始起动时，转差率较大，磁场的透入深度小于铜层的厚度，这时铜层厚度对电机的起动性能基本上没有影响。随着速度的增加，透入深度达到各自的铜层厚度，但由于电机是空载起动，电机在很短的时间就可以牵入同步。牵入同步速度后，永磁体产生的脉动转矩使电机转速在同步速度附近波动，然后进入稳态同步运行阶段。

由图3b可以看出，额定负载起动时，在起动的初始阶段和空载时相同，铜层厚度对其影响不大。随着转速的增加，其透入深度达到各自的铜层厚度，在铜层厚度为0.7 mm时无法达到同步运行状态，电流峰值在±80 A附近波动，并且此时电机的等效气隙较小，制动转矩较大，由式(3)可以看出转子电阻过大或过小也会造成异步转矩减小，异步转矩无法克服制动转矩和负载转矩，电机无法起动。铜层厚度分别为0.8 mm、0.9 mm和1.0 mm时电机虽然能够达到同步运行状态，但铜层厚度为0.8 mm时起动时间较长，并且起动阶段波动也较大。铜层厚度为0.9 mm比铜层厚度为1.0 mm牵入同步的时间缩短约0.06 s，但都在0.25 s附近达到稳态运行。

LSSIPMSM主要工作在同步运行状态，考虑到同步稳态运行阶段的效率和功率因数，选择铜层厚度为0.9 mm。

3.1.2 永磁体厚度的影响

在0.9 mm铜层厚度的基础上，分别建立永磁体厚度为2.5 mm、3 mm和3.5 mm的有限元模型，求解在空载和额定负载下的起动性能和同步稳态运行性能。空载和额定负载下的速度和电流曲线如图4所示，额定负载下不同永磁体厚度的效率和功率因数见表4。

由图4a、图4b的转速曲线可以看出在空载和额定负载起动过程中，LSSIPMSM牵入同步的能力与永磁体厚度呈反比。主要原因是LSSIPMSM的空载反电动势随永磁体厚度的增加而增加，由式(1)、式(2)也可以验证，空载反电动势的增加使制动转矩增加，制动转矩在起动阶段起阻碍作用。由图4c可以看出，电机达到同步运行后，稳态电流与永磁体厚度也呈现一种反比例关系，由于在同步运行阶段永磁体产生的转矩是作为同步驱动转矩，这时永磁体厚度越厚，在相同负载转矩下，功角会变小，对应的稳态电流也会减小。

图4 空载和额定负载下的起动性能Fig.4 The starting performances of LSSIPMSM with no-load and rated load

表4 额定负载下不同永磁体厚度的效率和功率因数

虽然永磁体越薄，LSSIPMSM的起动性能越好，但此时电机同步稳态运行的效率和功率因数会降低，综合考虑，永磁体的厚度选择为3 mm。

3.2 永磁体退磁对电机性能的影响

异步起动永磁同步电机在重载起动过程中，永磁体内会出现波动变化的退磁磁场，可能使永磁体发生退磁[18]。永磁体发生退磁后会对LSSIPMSM的起动性能、同步运行性能和温度分布产生很大的影响。

3.2.1 退磁对电机性能的影响

分别建立额定负载下LSSIPMSM永磁体没有发生退磁，退磁10%、20%、30%时的有限元模型。图5和表5为不同退磁状况下LSSIPMSM的工作性能。

图5 退磁时LSSIPMSM的工作性能Fig.5 The performances of LSSIPMSM with different demagnetization condition

表5 额定负载下不同退磁状况的效率和功率因数

由图5a、图5b可以看出永磁体发生退磁后，起动性能得到改善，但退磁会使电机的稳态工作电流增加，造成效率降低。永磁体退磁后也会使电机空载反电动势下降，由图5c可以看出，退磁30%后空载反电动势基波峰值从281.4 V下降到198.03 V。在输出功率不变的情况下，反电动势的减小会引起定子电流滞后角度增大，造成功率因数降低。

通过图5和表5的对比分析可以看出，LSSIPMSM发生退磁后的效率和功率因数降低。这会导致稳态运行电流增加，进而影响电机的温度，温度的增加又会使退磁状况进一步恶化，因此需要准确计算额定负载下不同退磁状况时各部件的温度，以便评估LSSIPMSM的工作性能。

3.2.2 退磁对电机温度分布的影响

用磁场-温度场耦合的方法计算LSSIPMSM在自然通风情况下的三维全域温度场分布。图6为在额定负载、永磁体无退磁状况的三维全域温度场分布。

图6 额定负载时三维全域温度场分布Fig.6 Temperature field of LSSIPMSM with rated load

从图6可以看出，定子绕组铜心的温度最高，这是由于定子绕组是主要热源，空气的高热阻率也会使定子区域和转子区域的温差较大。永磁体和起动铜层的温度基本上一样，原因在于起动铜层和转子铁心的导热性能非常好，并且空气的高热阻率阻碍了转子区域和定子区域间的热传递，使热量在转子区域积累并均匀分布。当永磁体发生退磁后对LSSIPMSM的温度分布影响很大，图7为永磁体不同退磁状况时电机各部件的最高温度。

图7 永磁体退磁对LSSIPMSM最高点温度的影响Fig.7 The influence of PM demagnetization on maximum temperature of LSSIPMSM

从图7可以看出LSSIPMSM各部件温度随永磁体退磁状况的恶化而增加。原因是输出功率相同时，永磁体发生退磁会造成定子绕组铜耗和起动铜层损耗增加，使定子区域和转子区域的温度都上升。温度增加的速率和永磁体退磁程度呈正比，反过来温度的快速上升也会使永磁体退磁加剧。当永磁体退磁程度超过25%时，永磁体的温度超过最高工作温度；退磁超过20%时绕组的温度超过F级绝缘的极限温度。因此LSSIPMSM在满载运行时要避免永磁体发生退磁，一旦永磁体退磁后可以减载运行，保证电机温度处于合理的范围内。

4 结论

通过对LSSIPMSM解析模型和有限元模型的对比分析，求解了铜层厚度和永磁体厚度对电机起动性能和同步运行性能的影响，并分析了退磁对电机性能及各部分温度的影响，得到如下结论：

1)转子起动铜层厚度对LSSIPMSM的起动能力和同步稳态运行性能具有非常重要的影响，铜层过薄或过厚都会降低电机的异步起动能力，因此需要选择合适的铜层厚度。

2)合适的永磁体厚度可以使LSSIPMSM具有较好的起动能力和较小的同步稳态运行电流。较长的永磁体厚度会使制动转矩增加，电机起动性能变差，甚至无法起动，较短的永磁体厚度会使定子绕组铜耗增加，同步运行效率和功率因数降低。

3)退磁可以改善LSSIPMSM的起动性能，但退磁后同步稳态运行时的定子电流增加，功率因数下降，并且电机的各部分温度增加。当退磁超过一定程度时，永磁体和绕组绝缘层上的温度都超过了其极限工作温度，会使永磁体发生进一步的退磁和绕组绝缘老化。

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(编辑 于玲玲)

Characteristic Analysis and Optimization of Line-Start Surface-Mounted and Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

SiJikai1ZhangLufeng1FengHaichao1ZhuYifeng1WenpingCao2

(1.School of Electrical Engineering and Automation Henan Polytechnic University Jiaozuo 454003 China 2. School of Engineering & Applied Science Aston University Birmingham UK)

The line-start permanent magnet synchronous motor without starter devices has a wide range of industrial applications, thus this paper presents a kind of line-start surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor (LSSIPMSM), which has a canned conducting layer which made of the copper between the surface-mounted PMs and rotor core. The LSSIPMSM performances were analyzed and the key parameters were optimized based on combinations of analytical method and finite element method. The dynamic, steady state performances of LSSIPMSM with PMs of different heights and canned conducting layers of different thicknesses were investigated. Finally, the optimal parameters were obtained. Electromagnetic finite element model of the LSSIPMSM was established to analyze the starting capability and steady state synchronization, and the temperature field of LSSIPMSM with different demagnetization conditions was researched by 3-dimensional temperature finite element model. The results show that LSSIPMSM has good dynamic and steady state performances.

Surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor, line-start, demagnetization, temperature field, dynamic performances, steady state performances

国家自然科学基金项目(U1361109)、2015年度河南省重点科技攻关项目(152102210101)和河南理工大学创新型科研团队支持计划项目(T2015-2)资助。

2016-03-30 改稿日期 2016-05-22

TM351

司纪凯 男，1973年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为特种电机理论及其控制。

E-mail:sijikai527@126.com(通信作者)

张露锋 男，1992年生，硕士研究生，研究方向为特种电机建模及特性分析。

E-mail:15225872921@163.com