新型异步起动铁氧体电机转子结构设计

王晓光，胡 雄，周 晟

(湖北工业大学，武汉 430068)

0 引 言

与普通异步电机相比，异步起动永磁同步电机有着更高的效率和功率因数，受到了学者的广泛关注。文献[1]提出了一种新型转子结构，充分利用电机的磁阻转矩增加电机的稳态性能。文献[2]提出了一种不对称转子结构，在增大异步转矩的同时减小了制动转矩，提高了电机的起动性能。文献[3]利用现有感应电机结构设计出一款满足IE4效率等级的异步起动磁阻同步电机，并给出了稳态工况下电机的效率和对应的电压，电流波形。虽然异步起动永磁同步电机得到了广泛的研究，但是由于其复杂的设计、以及钕铁硼永磁体高昂的价格使得异步起动永磁同步电机未能得到广泛应用[4]。

铁氧体永磁材料由于其良好的高温性能、低廉的价格,受到越来越多的关注[5]。相较于钕铁硼永磁材料，剩磁较小的铁氧体可有效降低起动过程中产生的制动转矩，但同时也降低了电机的稳态电磁转矩[6]。为此，本文研究了一种基于铁氧体永磁材料的新型异步起动永磁辅助式同步电机拓扑结构，转子多层磁钢的结构设计有效地增加电机的磁阻转矩；提出了一种新型的转子鼠笼导条排布方式，解决了电机转子多层永磁体和鼠笼导条在空间上的冲突，并提高了电机的起动性能；最后采用有限元方法对电机进行了建模和仿真分析，结果表明本文的电机结构具有较好的起动性能和稳态性能。

1 异步起动永磁同步电机转矩解析

铁氧体剩磁较低，若仅仅依靠永磁磁场和电枢反应磁场相互作用产生的永磁转矩很难满足电机的额定转矩[7-8]。电机的转矩公式如下：

(1)

式中:Tem为电磁转矩；m为相数；p为电机极对数；U为相电压；E0为空载反电动势；ωs为电机同步电角速度；Xq，Xd分别为交、直轴电抗；θ为功角。

由式1可知，电磁转矩由电枢反应磁场和永磁体磁场相互作用产生的永磁转矩以及由交、直轴磁阻不同引起的磁阻转矩两部分组成。要增大磁阻转矩，需增大电机交、直轴电感的差值，本文提出的新型转子结构的设计思路是提高电机的凸极比，提高电机磁阻转矩，从而弥补铁氧体永磁体剩磁较弱导致的永磁转矩小的弊端。

异步起动永磁辅助式同步电机在牵入同步转速之前，整个起动过程主要有异步转矩、制动转矩以及磁阻转矩3种转矩。异步起动永磁辅助式同步电机的异步转矩表达式与普通异步电机一致，如下：

(2)

(3)

式中:Xaq，Xad为交、直轴电枢反应电抗。从式(2)和式(3)可以看出，影响异步转矩的主要因素是定子绕组相电压，定、转子电阻及电抗。其中转子电阻的阻值主要受起动笼的影响。

异步转矩的大小直接决定了电机的起动能力。而永磁体的存在，在异步起动永磁同步电机的起动过程中会产生制动转矩，其表达式如下：

(4)

式中：Tg为制动转矩；Xq，Xd分别为交、直轴电抗。制动转矩与空载反电动势E0的平方成正比，而空载反电动势E0与永磁体的剩磁密度成正比，铁氧体剩磁较低决定了基于铁氧体的异步起动永磁同步电机在起动过程中的制动转矩也相对较低，有利于异步起动永磁同步电机起动以及牵入同步。这是铁氧体异步起动永磁辅助式同步电机的优点。

由式(4)可以看出，通过异步起动永磁同步电机模型解析可知，优化转子导条以及端环尺寸可以提高异步转矩，从而提高起动能力以及同步能力。优化转子结构可提高磁阻转矩，从而降低电流提高功率因数。但亟待解决的问题是多层磁钢结构以及起动笼尺寸与有限转子空间之间的冲突。

2 基于铁氧体的异步起动永磁同步电机拓扑结构优化设计

2.1 传统结构的铁氧体异步起动永磁同步电机

异步起动永磁同步电机的起动笼设计直接决定了电机的起动能力。由于铁氧体的性能较差，为了提高电机的稳态性能，电机转子多采用多层“U”形结构，每层转子槽内放置铁氧体。多层的转子结构有效地增加了转子的凸极比，从而增加电机的磁阻转矩。

为了方便与异步电机性能做比对分析，本文选择同功率等级的风机用异步电机为参考，异步电机参数如表1所示。

表1 相同功率的异步电机主要参数

根据传统异步电机的功率和尺寸等数据，本文以一台15 kW风机用异步起动铁氧体永磁电机为例，建立了电机有限元仿真模型，转子为四极结构，使用的铁氧体牌号为FB14H(TDK公司)。为减少谐波磁通造成的脉振损耗以及转子导条间的横向电流损耗，本文选择定子30槽转子24槽的近槽配合方案。传统的基于铁氧体的异步起动永磁同步电机拓扑结构如图1(a)所示。

2.2 新型异步起动铁氧体永磁同步电机

电机的起动笼设计对电机的起动性能影响较大。传统异步电机和异步起动永磁同步电机大多将转子导条均匀地布置在转子的外表面，永磁体布置在转子内。而这样的结构并不适用于铁氧体异步起动永磁同步电机，因为铁氧体电机转子层数较多，需要的转子空间较多。

为此，本文提出了一种将起动笼导条和铁氧体放置在同一“U”形槽内的结构形式，如图1(b)所示。转子导条的放置方式，既保证了电机的起动力，又能起到隔磁作用，使有限的转子空间得到了充分的利用，同时也增强了转子结构安全。传统结构与本文提出的新型结构电机的性能对比如图2、图3所示。

(a) 传统结构

(b) 新型结构

由图2中可以看出，新型结构的电机起动性能及同步能力由于传统结构电机，整个起动过程转速波形未出现明显波动。图3显示，新型结构电机转矩脉动率小，稳态性能良好。

图2 起动性能对比

图3 稳态转矩性能对比

综上，本文的新型结构电机的起动性能以及稳态性能均优于传统结构电机。

为了详细分析导条的排布方式对电机性能的影响，本文对不同转子结构的电机性能进行有限元仿真分析，图4为本文的两种转子导条放置形式对比示意图。

(a) 转子结构1

(b) 转子结构2

由图4中的两种转子结构方案可以看出，结构1和结构2均是将起动笼的导条放置于“U”形槽内、靠近转子表面的位置，均采用矩形结构。主要区别是转子槽中的导条是否垂直于转子外圆。

为了验证两种结构对电机性能的影响，本文对电机模型进行了有限元仿真分析。图5为两种转子结构方案的气隙磁密、反电动势的仿真波形以及稳态转矩对比波形，表2为相关仿真数据对比。

(a) 气隙磁密波形

(b) 反电动势波形

(c) 稳态转矩波形

观察图5中静态气隙磁密、空载反电动势以及表2中的数据可知，两种转子结构方案的电静态气隙磁密、空载反电动势波形畸变率较低，这也决定了转矩脉动较低，电磁性能好。而且两种结构的效率都能达到95%，功率因数能达到0.94。由仿真结果可知，虽然本文的异步起动永磁电机采用了性能较差的铁氧体永磁，但是本文提出的新型电机转子结构能很好地利用了电机的磁阻转矩，使得电机的额定转矩和异步电机的转矩相当。但是额定电流降低了14.3%，效率提高了7%，功率因数提高了9%。

表2 两种转子结构方案的仿真结果对比

为了验证两种转子结构对电机起动性能的影响，本文对电机的起动性能进行了仿真分析，两种结构下的电机转速波形如图6所示。

图6 电机转速波形对比

由图6的转速波形对比可以看出，结构1的起动过程转速波动较大，而两者空载反电动势有效值一致，表明其制动转矩一致。造成转速波动严重的原因可能在于起动笼导条布置不同。起动过程中结构1趋肤效应在导体中分布不均匀，从而导致转速波动明显。综合比较之下，转子结构2能兼顾起动性能和稳态性能。

3 结 语

针对传统异步电机性能较差，而钕铁硼异步起动永磁电机成本高的问题，本文研究了一种基于铁氧体的新型异步起动永磁辅助式同步电机结构。

1) 研究了一种导条非均匀布置的新型转子结构，解决铁氧体多层结构以及起动笼与转子有限空间之间的冲突，有效地提高了电机的性能。

2) 对转子导条的摆放角度对电机的性能影响进行了研究，得到了转子导条垂直与转子表面的布置方式综合性能最佳的结论。

3) 相比于同功率的异步电机，本文的异步起动铁氧体永磁电机的稳态电流降低了14.3%，效率提高了7%，功率因数提高了9%。

本文的铁氧体新型结构异步起动永磁电机，为低成本高效能电机的发展提供了新的解决思路。