异步起动永磁同步电动机实际应用问题研究

黄 敏

（六安职业技术学院机电工程系 安徽 六安 237158）

异步起动永磁同步电动机的退磁现象，主要发生在电动机的工作过程中，空转速度较高、大电流、磁场干扰、高温或剧烈振动的情况下，都会使电动机出现不可逆的退磁现象。有限元法是解决电动机设计与运转问题的主要方案，在电动机堵转力矩波形、软件性能优化方面，有着较为突出的作用。

1.异步起动永磁同步电动机退磁与堵转力矩原因分析

1.1 异步起动永磁同步电动机退磁原因分析

异步起动永磁同步电动机的退磁，大致可分为以下几方面因素：

(1)外加磁场作用：低温环境下钕铁硼永磁材料的退磁现象不明显，外加磁场作用也不能对其产生较大影响。高温环境中，由于钕铁硼永磁材料的温度系数较低，因此其退磁现象非常迅速明显，往往呈现出弧形曲线下降趋势。(2)振动退磁：异步起动永磁同步电动机在工作中，会由于剧烈振动引起内部磁畴铁磁体材料的区域小型磁化现象。电机在堵转实验过程中，快速加压、变频供电，也会引发永磁体的退磁情况。(3)化学因素：钕铁硼永磁体中含有大量钕、铁元素，钕、铁会在空气的作用下，与H、O 及其他化学元素发生反应，腐蚀后的永磁体的退磁现象严重。(4)失步运行：在电动机通电频率过高、负载转矩过大时，会产生大电流现象，大电流的出现必然导致磁场增强，从而导致磁体的退磁现象[1]。

1.2 堵转力矩的构成及产生原因分析

异步起动永磁同步电动机的转子为永磁体材料，由于永磁体磁介质磁性、磁通阻力较大，因此转子磁场的闭合回路呈现不对称分布，交流磁场的磁通阻力小于直流磁场。除此外转子铁心、转子线匝、转轴、空气槽等的影响，也会造成转子磁场的闭合回路的不对称。

在电机转动的过程中，瞬时输出力矩随时间不断变化，但却围绕平均值上下变动，这种现象称之为转矩脉动。转矩脉动大拖动负载，其速度稳定性就低，电机能耗也会显著增加。互相保持恒定关系转子产生较稳定转矩，相对运动转子产生的力矩较大，磁场作用不稳定。异步起动永磁同步电动机启动后，恒定转子在互相对称的额定扭矩频率电流中运动，产生相同速度的某一方向磁场，恒定转子磁场、实心转子、三相异步导条呈现动态关系，实心转子、三相异步导条与磁场的作用，产生额定扭矩频率涡电流引。对于异步起动永磁同步电动机磁场而言，互为相反方向磁场作用产生的转矩脉动最大。

2.永磁电机磁场分布的磁场有限元分析法

磁场有限元法能够精确的分析出永磁体中的磁体密度，还可以对永磁体退磁趋势做出准确分析。但其需要计算量较大，计算时间较长，不能作为主要的磁场退磁检测方式。在大电流、高温的工作环境下，异步起动永磁同步电动机会产生退磁现象，此时要适时调整恒定转子的结构以防止退磁，还要对转子冲片磁桥与铁心，使用梯度下降法和一系列确定性实验进行参数化调整。本研究对 “横杠型”、“剪刀手型”、“双层永磁阵列”进行分析，根据不同的工作情况得出差异较大的退磁结果。恒定转子线匝直接连接电源正负两极的情况下，“剪刀手型”结构异步起动永磁同步电动机退磁现象最严重。在相反磁场作用的转矩脉动情况下，“横杠型”结构异步起动永磁同步电动机退磁现象最严重[2]。研究表明：通过控制永磁体上的磁场干扰降低能量消耗，从而降低磁体的表面温度，减轻磁体的退磁效果。

3.起动与失步情况下异步起动永磁同步电动机退磁分析

3.1 起动过程中永磁体退磁规律研究

异步启动永磁同步电动机在不同的起动前提下，会产生不同的退磁现象。恒定转子在恒定电压与电源频率的情况下，会受到转子位置、转矩脉动、刚体绕轴转动惯性的影响。在刚体绕轴转动惯性下，输出为高电平时，样机在转子本身转动惯量下分别输出悬空的转速曲线和最小工作点变化曲线；输出为接用电器时，样机分别输出带额定负载转矩起动的转速曲线和最小工作点变化曲线。异步启动永磁同步电动机的速度呈现逐渐上升趋势，到达一定时间后即会保持稳定；对于异步启动永磁同步电动机最小工作点而言，其呈现出先降低后升高的趋势，在转子速度保持恒定后，最小工作点也会趋于稳定。所以异步启动永磁同步电动机启动状态下，永磁体的磁感应强度会呈现先下降后上升最后保持稳定的形态。在电路负载的情况下，异步启动永磁同步电动机的转速、最小工作点会经历较长时间的波动，退磁后的磁感应强度也明显低于高电平起动。

起动过程中，若恒定转子在转动保持稳定后的转速与电动机定子磁场的旋转速度越接近，则永磁体退磁的现象就越严重。在额定电压、频率、额定转速的转矩，绕轴转动惯量、恒定转子初始位置都不相同时，异步起动永磁同步电动机的转动速度、退磁后磁感应强度也会发生改变。转矩、绕轴转动惯性越大，电动机起动时间就越长，退磁现象也越严重。

3.2 电机失步运行时永磁体的退磁情况分析

异步起动永磁同步电动机电源两端电子元件逐渐增多过程中，环路电流会随之明显增大，电路中磁场也会迅速增大。永磁体在负载加大的情况下，恒定转子的转速会明显下降，退磁现象也更严重。

在异步起动永磁同步电动机运行过程中，对其增加2 倍甚至数倍的电子元件，会导致电动机转动速度与、最小工作点数值的改变。实验表明： 分别对异步起动永磁同步电动机增加2、4、6 倍的电子元件，2倍负载条件下，永磁体的转动速度会在一系列变化后，逐渐趋于稳定；最小工作点数值会随着负载增加显著下降，最后也会逐渐趋于稳定。4倍负载条件下，永磁体的转动速度会产生稳定的弧形波动，最小工作点数值也会呈现弧形波动。6 倍及以上负载条件下，永磁体的转动速度会产生线性下降，且不会再最后趋于稳定，最小工作点数值也会呈现弧形波动，且波动的幅度会越来越小。

4.永磁体、实心转子、鼠笼对堵转性能的影晌

电动机转子包含永磁体、实心转子、鼠笼三种元件，通过创建原型模型、实心-叠片轴向模型、鼠笼分离模型、永磁体分离模型等多种模型，可对堵转稳定后波形分析。

原型模型堵转力矩TK 的瞬时最大绝对值最大、力矩最大，以额定扭矩频率为变化周期。永磁体模型堵转力矩TK 呈现额定频率的变化周期，无永磁体模型堵转力矩呈现2 倍额定频率的变化周期。这表明电机扭矩频率瞬时输出力矩随时间的不断变化，产生堵转力矩的不稳定现象[3]。

在叠片替代实心的轴向模型中，线圈中感应电流对转子的影响可以忽略不计。顺时针旋转的恒定转子磁场与逆时针恒定转子额定扭矩频率磁场的作用，同步速逆时针异步起动永磁同步电动机磁场与顺时针异步起动永磁同步电动机磁场的作用，也会对堵转转矩产生较大影响。鼠笼分离模型：顺时针或逆时针电动机磁场，与实心转子线圈感应电流的作用，产生堵转恒定转矩。鼠笼分离模型的堵转力矩TK，要远远小于叠片替代实心的轴向模型，也以额定扭矩频率为变化周期。

5.异步起动永磁同步电动机退磁与堵转力矩解决方案

在电动机运行过程中电源负载的增加，会造成永磁体磁感应后退磁数值的降低。但这种退磁数值降低的百分比较小，且不受到电动机起动负载的影响。对于起步、失步、超同步三种情况的退磁现象，可以通过以下方案进行处理：异步起动永磁同步电动机起步过程中，应缓慢增加电源两端负载，直至电动机转动速度与最小工作点趋于稳定。在负载力矩呈现显著变化过程中，其最大、最小值的绝对值变化，导致退磁最大、最小值的V 型运动轨迹。失步过程中，应有效控制电动机负载转矩，使其绝对值控制在较高范围内，则磁感应后电动机退磁数值就会保持在较高水平。对于超同步的负载电动机现象，电动机永磁体退磁最大、最小值也呈现V 型运动轨迹变化。因此超同步负载电动机应对电源负载、电动机负载转矩两方面进行控制，首先降低电源负载，再对永磁体转动力矩TK 控制在1.5 倍的范围内。

在对异步起动永磁同步电动机电压的调节过程中，探究堵转力矩的有效解决方案。从具体实验得出：电压上升会导致回路电流、功率的上升，从而造成电动机堵转力矩的增大，以上变量呈现较为一致的弧度增减。

在异步起动永磁同步电动机0.5 倍负载前提下，逐渐减小样机负载。利用公式：cosφ=P1/√U1I1η=P2/P1×100%计算得出，仿真过程中的温度、机械损耗无法人为进行干预，导致最终仿真结果与实验结果产生偏差。电动机负载率的显著提升，能够有效缩小仿真堵转力矩与实验结果之间的差距，而负载率的降低会使仿真结果发生较大变化，低的电动机负载率，也会使其对外界环境的变化更加敏感。因此对于堵转力矩的变化而言，将电机负载控制在适当范围内，有利于电动机性能的发挥。

6.结语

异步起动永磁同步电动机在实际应用过程中，会由于温度、电流、起步与失步中的电源负载影响，产生严重的退磁现象。电动机存在的气隙长度、不均匀程度问题，永磁体和恒定转子转矩、恒定转子电机槽楔、有电网牵入同步等问题，都可运用连续求解域离散有限元法分析模式给出电动机退磁或堵转试验的解决思路。将电动机温度、电源负载、负载转矩等因素控制在合理范围内，能够有效解决电动机的永磁体退磁现象与堵转力矩问题。