低谐波绕组异步起动永磁同步电动机空载特性分析

侯宇,王立名

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

近年来永磁电动机发展迅速，其研制和生产已经具备了相当的规模，具有非常广阔的应用前景。而在各种类型的永磁电动机中，异步起动永磁电动机因其结构相对简单，且能与普通异步电动机通用而受到市场的青睐。若能将其广泛代替普通感应电动机，将产生可观的经济效益，对我国节能减排做出重要贡献。

正规60°相带绕组会产生除3的倍数以外的所有奇数次谐波磁势，这些谐波在转子边引起谐波电流，产生谐波转矩和附加损耗，影响电机运行性能。双层同心不等匝低谐波绕组在设计时使电机的杂散损耗降低，效率提高，同时使电机的起动性能和其他技术指标得到提高[1]。此绕组一方面可以减少相带谐波含量，使磁势波形的品质有更大的提高，振动和噪声也相应地减少；另一方面则在保持波形不变的前提下，最大限度地提高绕组的电磁利用率，减少电机的有效材料[2]。

采用数值法可以充分考虑电机铁心结构的变化、气隙磁场的高次谐波、磁路饱和等[3]，因此本文以一台55kW异步起动永磁同步电动机为研究对象，利用ANSYS Maxwell建立了双层同心不等匝低谐波绕组及普通叠绕组两种方案的二维有限元模型，对永磁电动机的空载特性进行对比分析，研究低谐波绕组在异步起动永磁同步电动机中的优势。

1 低谐波绕组原理

本文研究的低谐波绕组为双层同心不等匝低谐波绕组，该绕组每个极相组的q个线圈由外向内呈同心式分布，并且每个线圈的匝数也不同，见图1。

图1 线圈示意图

低谐波绕组线圈的匝数比，就是每极每相中各线圈的匝数比例，也就是每相绕组在各槽内导体数的分配比例，使槽电流沿铁心表面按正弦规律分布，便可得到接近于正弦形的磁势曲线。根据低谐波绕组的设计原理，利用沿定子铁心内圆按正弦曲线分布的电流层，求取各槽位置上的槽电流，从而求得每相各槽中的槽电流比值，即为线圈的匝数比[2]。

理论上采用低谐波绕组能够消除所有的高次谐波，但是由于电机线圈匝数的限制，在实际情况下很难实现。同时，由于电机的齿谐波磁势也无法避免，所以在实际运行中高次谐波依然是存在。

2 模型与边值问题

本文所研究的永磁同步电动机，基本参数如表1所示。

表1 永磁同步电动机基本参数

对磁场进行有限元分析的基本假设如下[3]

(1)磁场沿电机轴向不变，把问题作为二维磁场来处理。

(2)忽略定子绕组中涡流引起的集肤效应，认为电密在定子绕组截面上保持均匀。

(3)忽略温度对电导率的影响，假定计算温度为 75℃。

(4)忽略电网中的谐波含量，认为激励为正弦函数。

本文所选样机的二维有限元模型见图2，在所给定的求解区域内，用向量磁位A对数学模型进行表述。根据假设，A只有Z分量，即A=Az，则满足的二维非线性恒定磁场的边值问题为

(1)

式中，Jz—源电流密度的轴分量；μ—媒质的磁导率；σ—媒质的电导率；Az—矢量磁位z轴向分量。

两种方案的绕组连接图见图3。

图2 电动机二维有限元模型

图3 绕组连接图

3 空载特性分析

永磁同步电机的空载磁路是指电枢开路，永磁体单独作用时一所产生的磁路。永磁同步电机的空载磁场分析主要是借助有限元软件对电机磁场进行计算，在后处理中求取电机齿部、扼部、气隙等部位的磁密，从而进一步求取气隙磁通、气隙基波磁密和各次谐波、反电动势、漏磁系数等重要参数。

3.1 气隙磁密

采用叠绕组和低谐波绕组的空载气隙磁密及谐波分析见图4和表2。可以看出，低谐波绕组电机的气隙磁密波形更好，低次数谐波含量较低。

图4 空载气隙磁密

表2 气隙磁密谐波分量幅值(T)

3.2 空载漏磁系数

永磁体向外磁路提供的总磁通与外磁路的主磁通之比被称为漏磁系数，漏磁系数是一个很重要的参数，在永磁体提供总磁通一定时，漏磁通相对较大而主磁通相对较小，永磁体的利用率就差。

图5 空载漏磁系数计算

因转子结构相同，求得该电机两种绕组形式的空载漏磁系数均为1.20。

3.3 空载反电势分析

衡量永磁同步电动机一个很重要的指标就是空载电压波形，以电机A相为例，提取电机空载时A相绕组一个周期的电压波形，并将其傅里叶分解，采用叠绕组和低谐波绕组的反电势见图6。具体各次谐波数值见表3。

图6 空载气隙磁密

表3 气隙磁密谐波分量幅值(T)

可以看出，低谐波绕组的反电势波形要优于叠绕组反电势波形，更接近于正弦波。同时5次、7次谐波幅值降低的较明显，也说明了低谐波绕组的反电势谐波含量更低。

4 结语

本文以一台55kW异步起动永磁同步电动机为研究对象，建立了双层同心不等匝低谐波绕组及普通叠绕组两种方案的二维有限元模型，对永磁电动机的空载特性进行对比分析，从研究结果可以看出： (1)低谐波绕组永磁电机的气隙磁密波形更好，低次数谐波含量较低； (2)因转子结构相同，两种绕组形式的空载漏磁系数差异较小；(3)低谐波绕组的反电势波形要优于叠绕组反电势波形，更接近于正弦波。同时5次、7次谐波幅值降低的较明显。由于电机线圈匝数的限制，在实际情况下很难实现理论匝数比来消除所有的高次谐波。