IE4紧凑型变频调速三相永磁同步电机的研制*

王建辉, 张 勇, 王鸿鹄

(1.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司,上海 200063；2.双龙集团上海防爆电机盐城股份有限公司，江苏 盐城 224007；3.上海电科电机科技有限公司，上海 200063)

0 引 言

2016年，IEC发布了IEC TS 60034-30-2:2016标准，规定了变频器供电的变频调速电机的能效等级，该标准已经等同转化为GB/T 32891.2—2019[1]。标准中将变频器驱动的电机效率分为IE1、IE2、IE3、IE4、IE5 5个等级，并给出了电机效率的计算方法。该标准的适用范围：额定功率0.12～1 000 kW，额定电压50～1 000 V，额定转速600～6 000 r/min。在确定不同效率等级的标准值时，标准中给出了为计算标称效率限定值的参考效率值，结合插值公式和高频附加损耗系数，计算得到标称效率值，并以该标称效率值为电机90%额定转速和额定转矩下效率的考核值。

为了完善我国工业电机的产品体系，推动中小型电机行业技术进步，满足日益严格的节能减排要求，自2019年3月起，在中小型电机行业开展了IE4能效等级的紧凑型变频调速三相永磁同步电机产品的开发，成立了由上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司、上海电科电机科技有限公司、金华江科动力有限公司、江苏锡安达防爆股份有限公司、江苏大中电机股份有限公司、安波电机(宁德)有限公司、西门子电机(中国)有限公司、上海ABB电机有限公司、长沙长利电气有限公司等企业组成的产品开发联合设计工作组，确定系列产品名称为“TYP系列变频调速三相永磁同步电动机”，功率范围：0.55～315 kW，机座号：80～355，转速：3 000 r/min、1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min，冷却方式IC416，完成了共95个规格的电磁设计和结构设计，电机型谱参考了YE4系列(IP55)三相异步电机[2]，并在其基础上降低了机座号。与通用笼型异步电机相比，该系列产品在相同功率和转速情况下，普遍降低了1～2个机座号，从而大幅降低了电机的制造成本，有利于电机的市场推广。

研制过程中对场路结合设计方法、极数选择分析、削弱转矩波动设计、抗去磁能力分析、缩小机座号的机械性能分析和结构设计、安全性设计等关键技术做了研究。其中场路结合方法是一种兼顾精度和效率的方法[3-5]。为了提高设计精度和缩短设计周期，该系列产品的电磁设计采用了一种基于场路结合的设计方法[6]，主要是通过电流源激励2D有限元时步法的分析结果反推得到基于交直轴双反应理论的永磁同步电机电路、磁路模型中的参数，从而得到确定的永磁同步电机解析模型，再通过解析模型来设计相同冲片结构的同机座同转速的其他规格。

根据系列设计的结果，与YE2、YE4本体有效材料作了对比，说明了TYP系列在达到高于IE4效率的同时成本较低。

最后，通过样机试制、测试结果，验证了本系列设计关键技术研究结果和设计方法的正确性。

1 关键技术研究

为了确保所开发电机产品的效率等级能够达到IE4，降低电机的成本，缩短设计周期，针对电磁和机械设计方法进行了研究，主要内容如下。

1.1 场路结合设计方法

电磁场有限元计算方法是一种常用的永磁电机设计方法，具有计算准确和适应性强的优点，但是在永磁电机系列设计中，电机规格数较多，用电磁场进行设计会降低设计速度，不能满足工程实际的需求。

考虑到系列设计电机的结构具有电磁结构一致性，本系列产品开发中采用了一种场路结合的设计方法，该方法提出了一种永磁电机的电磁性能计算方法，采用路方法进行设计，其中的部分参数通过典型规格电机的电磁场分析得出，并在设计完毕后，通过电磁场有限元计算对典型规格设计方案进行仿真验证，这样一方面提升了设计速度，另一方面也能够保证产品的设计精度。

本项目提出的电机场路结合的设计方法，为该系列产品的设计提供了理论基础。全系列共有95个规格，当选择每个机座号、不同极数下的最长铁心长度规格为场路结合计算设计方案后，需要进行电磁场分析的方案仅有25个，其余方案均可以通过路方法派生设计。电机型谱如表1所示。

总设计时间缩短了约60%，大大提升了开发效率。该设计方法已整合到电机工业互联网协同设计平台，能够为整个电机行业提供设计服务。

1.2 极数选择分析

同一个功率和转速，可对应多个极数方案，进而形成不同的极槽配合，对电机的性能有着不同的影响[7-8]。为了分析TYP系列永磁同步电机的较优极数方案，本文以一台160机座号，22 kW，1 500 r/min样机为例，设计了如图1所示的4极、6极和8极电磁方案，进行有限元分析，并对结果进行对比。

图1 不同极数电机结构

表1 系列电机型谱

通过计算得到电机参数汇总如表2所示。

表2 参数汇总

可见，1 500 r/min额定转速、电机的效率和其他性能参数相当时，采用8极设计具有较低的成本、较低的转矩波动和较高的效率。在本系列产品的设计中，3 000 r/min采用了6极设计，1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min电机采用了8极设计。

1.3 削弱转矩波动设计

本系列电机采用V形内插式永磁转子设计方案。为了降低转矩波动，对不同V形展开角、极弧系数等多方案作对比[9-10]。

以一台160机座号，22 kW，1 500 r/min，8极电机为例，分析不同极弧系数和V形展开角下转矩平均值和转矩波动的变化。

如表3和图2所示，改变电机的极弧系数，可得平均力矩和转矩波动。转矩波动是指转矩的峰峰值与平均值的比。

表3 不同极弧系数的平均力矩和转矩波动

图2 不同极弧系数的平均转矩和转矩波动

从图2可知，随着极弧系数增加到0.73，转矩脉动最小，为1.16%。

当极弧系数为0.708～0.719时，在最大转矩和转矩波动之间取得平衡。

通过设计不同的磁钢张角，然后计算不同磁钢张角对转矩波动的影响。为了比较相同成本方案，采用不同磁钢张角并保持磁钢总面积不变。计算结果如表4和图3所示。

表4 不同磁钢张角平均转矩和转矩波动

图3 不同磁钢张角下的平均转矩和波动

根据分析结果，本系列电机设计时采用下列设计规范：

(1) 每极槽数6时，可采用4.25/6=0.708 3的极弧系数；

(2) 每极槽数9时，可采用6.25/9=0.694 4的极弧系数；

(3) 每极槽数12时，可采用8.25/12=0.687 5的极弧系数；

(4) V型磁钢展开角130°。

按上述设计规范，全系列电机的额定负载转矩波动低于5%，保证了电机运转平稳。

1.4 抗去磁能力分析

通过对电磁方案的仿真分析，通过校核的程序，得到如图4所示去磁工作特性，其退磁曲线从左上到右下的三个点分别为空载工作点，额定负载工作点和过载工作点。过载是指两倍额定电流过载。

图4 磁钢工作点

计算3 000 r/min和1 500 r/min额定转速的各个规格，可以得到各工作点的磁密标幺值和磁势标幺值。

其中两倍额定电流过载去磁工作点磁密标幺值如图5所示。

图5 两倍额定电流过载去磁工作点磁密标幺值

从图5中可以看到，最低磁密标幺值0.272。磁钢均选用N38UH磁钢，按100 ℃的曲线，其拐点的磁密标幺值小于0，因此所有规格都可以保证在两倍额定电流下不会发生去磁，并且具有较大的余量。

本系列电机设计采用下列规范来保证抗去磁能力：

(1) 磁钢空载工作点磁钢磁密标幺值不低于0.7；

(2) 磁钢额定工作点磁钢磁密标幺值不低于0.5；

(3) 磁钢2倍负载电流工作点磁钢磁密标幺值不低于0.27；

(4) 磁钢选用UH牌号，最高工作温度180 ℃。

1.5 缩小机座号的机械性能分析和结构设计

电机缩小机座号后，对结构强度提出了更高的要求。本系列电机设计针对轴伸键应力、轴承载荷和寿命、轴的强度和刚度、轴的危险截面安全系数等作了计算校核。通过计算分析，确定采用YE2(YX3)相同机座和铁心三圆。3 000 r/min的系列机座采用YE2(YX3)系列异步电机2极机座、轴承、轴伸及轴伸键；1 500 r/min、1 000 r/min和750 r/min的系列机座采用YE2系列异步电机4极、6极和8极对应机座、轴承、轴伸和轴伸键(YE2系列异步电机4极、6极和8极机座相同)。

针对V形内插式转子冲片，核算了加强筋的离心应力。最高速(按3 000 r/min的1.2倍，即4 320 r/min)下由离心力引起的最大应力不高于硅钢片屈服强度。

转轴材料应采用45#钢，并作调质处理。

1.6 安全性设计

因为机座号缩小和功率放大，应按GB/T 14711—2013 《中小型旋转电机通用安全要求》检查接线柱直径要求和爬电距离。为保证机座和接线柱通用，部分缩小机座较多的规格，需要从3路出线改为2个3路(6路)出线(电机为星型接法)，以降低接线柱载流量。225和280机座3 000 r/min的规格需要改大接线板上螺栓的直径。

2 成本对比

在电机材料成本方面，由于本系列电机普遍降低了机座号，在机座、端盖等结构件成本上显然具有更低的成本。

经统计，TYP系列变频调速三相永磁同步电机和YE2(IP55)笼型三相异步电机比较，其有效材料成本如图6和图7所示。

图6 3 000 r/min时TYP和YE2(IP55)不同转矩规格的有效材料成本

图7 1 500 r/min时TYP和YE2(IP55)不同转矩规格的有效材料成本

上述有效材料成本按表5和表6的设定价格。

表5 YE2系列有效材料设定价格 元/kg

表6 TYP系列有效材料设定价格 元/kg

从上面对比可以看出，TYP系列变频永磁同步电机的成本低于同功率YE2(IP55)，从而远低于YE4(IP55)三相异步电机。

3 样机试制情况

按项目计划任务书要求，选取不同功率、不同转速的20个规格作为样机方案试制，功率涵盖0.55～315 kW四个转速规格，如图8所示。其中7台典型规格样机的型式试验数据如表7所示。

图8 样机型式试验

从试验结果可以看出，电机效率指标均达到了IE5效率等级，超过了原定的IE4能效的设计要求。样机全部规格可以在0.25倍额定转速～1.0倍额定转速之间恒转矩调速，1.0倍额定转速～1.2倍额定转速恒功率调速，电机综合性能达到了设计要求。后续根据试验情况，降低了硅钢片牌号，以使得电机效率保证为IE4。

表7 样机试验数据

4 结 语

通过场路结合设计方法，完成了IE4效率等级TYP系列变频调速永磁同步电机4个转速系列95个规格产品的开发，开拓了国内变速驱动领域。样机大部分规格已达到IE5，为IE5效率等级的系列产品开发奠定了基础。

在变频调速的场合， TYP系列永磁同步电机的效率可以达到IE4和IE5，远超YVF2异步变频电机；在型谱方面，TYP系列变频调速三相永磁电机普遍降低了1～2个机座号，使得其成本低于YVF2等通用变频电机；也可以通过缩短叠长派生出与YVF2相同型谱的产品，以适应旧设备的安装尺寸。因此，在变频调速的场合，TYP系列变频调速三相永磁电机具有很大的优势。