W型转子异步起动永磁同步电动机极对数的优化

申 锋， 赵朝会， 俞志君， 夏 莉， 田井呈

(1. 上海电机学院 电气学院， 上海 201306； 2. 江苏远东电机制造有限公司， 江苏 泰州 225500； 3. 上海磁雷革传动系统有限公司，上海 201801)

W型转子异步起动永磁同步电动机极对数的优化

申 锋1， 赵朝会1， 俞志君2， 夏 莉1， 田井呈3

(1. 上海电机学院 电气学院， 上海 201306； 2. 江苏远东电机制造有限公司， 江苏 泰州 225500； 3. 上海磁雷革传动系统有限公司，上海 201801)

借助Ansoft软件，以15 kW异步起动永磁同步电动机(LSPMSM)为例，研究了不同极对数下电动机的空载气隙磁密和起动特性。结果表明，W型转子结构LSPMSM的极对数取2较为合理。所得结果对不同应用场合的W型转子结构LSPMSM的设计具有一定参考价值。

异步起动永磁同步电动机； 极对数； 有限元分析； 气隙磁密

异步起动永磁同步电动机(Line-Start Permanent Magnet Synchronous 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动机的一个重要发展方向，得到越来越多的重视和研究[1]。LSPMSM最基本的转子磁路有径向式、切向式、混合式3种[2]；W型转子结构属于混合式结构中的一种。W型永磁体用于永磁同步电动机(PMSM)有很多优点：可以安放较多的永磁体、每极磁通大、空载漏磁系数较小，但其极对数应存在一个较为合理的值，目前还没有关于W型转子LSPMSM极对数优化的文献。

文献[3]中提出一种内置混合式转子可控磁通PMSM。文献[4]中在三维电磁场数值计算的基础上，对U、W型内置式PMSM的交、直轴电枢反应电抗参数进行计算，总结出两种转子结构PMSM电抗参数随气隙长度和永磁体磁化方向长度的变化规律。文献[5]中分别对采用U、W型永磁转子结构的LSPMSM进行设计，利用场路结合的方法计算了不同转子结构电动机参数，并对两种转子磁路结构的起动性能进行仿真，分析了不同转子结构对PMSM性能的影响。文献[6]中计算了U、W型转子结构PMSM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。文献[7]中优化设计了5种不同转子拓扑结构的PMSM，对它们的参数、电动机特性以及弱磁性能进行分析比较，提出W型永磁转子电动机有较好的弱磁扩速能力和较宽的的恒功率运行范围，其效率也满足要求，但结构上会比V字型多开槽靴，其机械结构复杂。文献[8]中设计了一种转子结构为W的新型内置式PMSM，进行了绕组优化与性能分析，并利用有限元法将所设计的电动机初始模型与优化模型，以及转子结构为一字型的传统内置式PMSM模型进行了对比分析。文献[9]中整理分析了不同磁路拓扑结构对电动机性能的影响及其优缺点。文献[10]中对采用V、U型及混合型磁路结构的6极22 kW自起动PMSM进行设计，用静态有限元法分别分析了电动机的空载气隙磁场，并采用时步有限元方法对3种磁路结构电动机的起动过程进行仿真，对比分析了不同转子结构对自起动PMSM性能的影响。文献[11]中采用时步有限法分析了W型LSPMSM的起动过程，发现永磁体最严重的退磁磁场出现在电动机转速接近同步速时。文献[12]中在几种永磁同步发电动机转子结构中，估算出内置式W型磁钢提供的磁通面积最大。文献[13]中提到U、V、W型转子结构不适合于极数多的场合，但没有定量分析极对数对电动机性能的影响。本文以一台15 kW LSPMSM为例，利用Ansoft软件对采用W型转子结构的2、3、4、5、6、7对极LSPMSM进行设计，分析比较了电动机不同极对数下的空载气隙磁场、工作效率和起动特性，确定了W型转子结构极对数的合理取值。

1 磁场分布的有限元分析

1.1电动机的结构参数

电动机的主要结构参数如表1所示。

表1 电动机的主要结构参数

注：极对数变化时,定子结构参数会相应变化

1.2电动机求解模型

W型LSPMSM是对称结构，在电动机的横剖面上几何和物理因素都随极对数p一起变化，故计算可以在一对极的空间范围内进行。另外，电动机的磁场分布实际上是一个非线性的三维问题，考虑到能量传递的物理过程主要发生在气隙中,而与电动机轴向尺寸相比较,气隙相对狭小,故不计电动机端部效应,电动机磁场的近似计算可以简化成二维问题[14]。电动机的磁场求解模型如图1所示。

图1 磁场求解模型

1.3电动机磁场分布

从工程角度看，电动机定子外沿可以认为是磁场的边界线，不同p下电动机横截面上的磁力线、磁密云图分布如图2所示。

(a) 磁力线分布(p=2)

(b) 磁力线分布(p=4)

(c) 磁密云图(p=2)

(d) 磁密云图(p=4)

由图可见，不同p下电动机磁力线均可形成闭合磁路；当p较小时，磁密云图亮的部分较多，磁密较大；当p较大时，磁密云图暗的部分变多，磁密减小。

2 仿真结果及分析

本文利用ANSYS软件，分别建立了2、3、4、5、6、7对极电动机的有限元模型，分析了电动机p与空载气隙磁密、额定运行时的效率、永磁体用量以及起动特性间的关系。

(1) 空载气隙磁密与p的关系。取一对极，对空载气隙磁场进行计算，电动机在不同p下的空载气隙磁密波形如图3所示。

(a) p=2

(b) p=3

(c) p=4

(d) p=5

由图可知，当p=2，3时，气隙磁密波形的正弦度较好；当p≥4后，磁密波形越来越不规则，且幅值不断减小。

进一步对气隙磁密进行傅里叶分解(FFT),得到的空载气隙磁密的计算结果如表2所示。

表2 不同p下的空载气隙磁密计算结果

气隙磁密是电动机的重要参数，不仅直接影响电动机的输出转矩，而且影响电动机的振动与噪声[15]。由表2可知，当p=2，3时，电动机的空载气隙磁密最大，而当p继续增加时，气隙磁密逐步降低。p与气隙磁密的关系如图4所示。

图4 空载气隙磁密与p的关系

由图可见，当p由2对极增加至3对极时，空载气隙磁密有小幅度增加，但p由3对极起，空载气隙磁密迅速减小。

(2) 额定运行时的效率与p的关系。额定运行时电动机效率与p的关系如表3所示。

表3 不同p下的电动机效率

由表可知，随着p的增加，额定运行时电动机的效率略有降低。

(3) 永磁体用量与p的关系。不同p下永磁体的用量如表4所示。由表可知，3对极永磁体用量比2对极稍多；虽然从3对极开始，永磁体用量小幅度减少，但由表2可知，空载气隙磁密也明显下降。因此，可初步确定p为2或3较为合理，以下讨论在p=2，3时进行。

表4 不同极对数下的永磁体用量

(4) 起动特性与极对数的关系。图5所示为p=2，3时的电动机起动特性。

(a) p=2

(b) p=3

由图可见，当p=2时，电动机的起动转矩明显大于p=3时的起动转矩，即当p=2时，电动机的起动能力更强，因此，可进一步确定电动机p取2时更为合理。

3 结 论

本文针对LSPMSM不同极对数下W型转子磁路结构，采用有限元法对电动机的空载磁场和起动特性进行了对比研究，得出以下结论：

(1) 当p=3时，电动机的空载气隙磁密比p=2时稍大，从3对极开始气隙磁密逐步降低；

(2) 3对极永磁体用量比2对极稍多，虽然从3对极开始永磁体用量小幅度减少，但气隙磁密下降明显；

(3) 随着p的增加，额定运行时电动机效率略有降低；

(4) 当p=2时，电动机的起动转矩明显大于p=3时的起动转矩；

(5) 综合分析,W型转子结构的LSPMSM极对数取2时较为合理。

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Optimization of Pole Pairs of Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor with W-Shaped Rotor

SHENFeng1,ZHAOChaohui1,YUZhijun2,XIALi1,TIANJingcheng3

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Jiangsu Yuandong Motor Manufacuring Co., Ltd., Taizhou 225500, Jiansu, China;3. Magelec Propulsion Co., Ltd., Shanghai 201801, China)

With a 15kW line-start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM) as an example, this paper studies no-load air gap flux density and starting characteristics at different pole pair using Ansoft. It is concluded that using two pairs of poles is reasonable. The conclusion is useful for the design of line-start PMSM in different practical situations.

line-start permanent magnet synchronous motor (LSPMSM); pole pair; finite element analysis; air gap magnetic flux density

2017 -03 -16

上海电机学院学科建设项目资助(16YSXK02)

申 锋(1991-)，男，硕士生，主要研究方向为电机本体设计，E-mail: 1508469181@qq.com

指导作者： 赵朝会(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail:zhaoch@sdju.edu.cn

2095-0020(2017)05 -0264-05

TM 351

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