高压自起动永磁同步电动机的设计及实验研究

摘 要：该文主要探究高压自起动永磁同步电动机的设计要点，并对其性能进行实验探究。定子设计主要包括合理选择定子冲片以及确定定子槽数，同时将定子绕组的端部连接形式改为“Y”接形式，避免谐波在定子绕组之间产生环流。转子设计主要包括选择合理的转子槽型，以及采用内置式磁路结构，并通过加装隔磁磁桥的方式，避免磁路结构发生漏磁现象。结合设计方案改造电动机，并进行温升实验和振动实验。结果表明，该电动机在满载时效率稳定在98%左右，功率因数达到0.997，在稳态时的设计性能较好。在风机正常工作情况下，绕组与轴承等可以很快达到热平衡状态，热稳定性良好。电动机振动较小，运行平稳，综合性能良好。

关键词：高压自起动永磁同步电动机；定子冲片；转子永磁体；温升实验；设计要点

中图分类号：TM341 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0126-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of high-voltage self-starting permanent-magnet synchronous motor and makes an experimental study on its performance. The stator design mainly includes reasonably selecting the stator lamination plate and determining the number of stator slots， and changing the end connection form of the stator winding to "Y" connection to avoid the circulating current between the stator windings. The rotor design mainly includes the selection of reasonable rotor slot type， the use of built-in magnetic circuit structure， and the installation of magnetic isolation bridge to avoid magnetic leakage. Based on the design scheme， the motor is reformed， and the temperature rise experiment and vibration experiment are carried out. The results show that the efficiency of the motor stable at around 98% at full load， and the power factor can reach 0.997. The design performance of the motor is good in steady state. In the normal working conditions of the fan， the windings and bearings can reach the state of thermal balance quickly and have good thermal stability. The motor has the advantages of small vibration， stable operation and good comprehensive performance.

Keywords： high-voltage self-starting permanent-magnet synchronous motor; stator lamination; rotor permanent-magnet; temperature rise experiment; design point

在各行各业大力推广节能减排的背景下，研发和使用低功耗、高效率、高功率因数的电动机，能够发挥显著的经济效益和社会效益。高压自起动永磁同步电动机因其具有自行起动能力，在定速驱动领域得到了广泛应用；同时融合了永磁电机高效率、高功率因数的优势，逐步替代了传统的异步感应电机。但是在高压自起动永磁同步电动机的应用中，仍然存在容易发生漏磁、热稳定性差等问题。因此，必须要结合电动机的工作环境、结构特点对定子、转子等重要构件展开优化设计，从而进一步改善高压自起动永磁同步电动机的性能。

1 高压自起动永磁同步电动机的设计

1.1 定子设计

1.1.1 定子冲片的设计

高压自起动永磁同步电动机的定子冲片，根据电动机中心高的不同，其型式也有差异。通常来说，当电动机的中心高较小时，选择圆形定子冲片；当电动机的中心高较大时，选择扇形定子冲片，每片的圆心角为30°。另外，定子槽数（Q）也是定子冲片设计中的核心参数，主要与每极每相槽数（q）、相数（m）以及电机极数（p）有关，计算公式为

Q=。

增加q值，有助于降低定子谐波磁场，减少附加损耗，并且提高定子线圈的散热能力，但是材料加工成本也会相应上升。对于高压自起动永磁同步电动机，q值一般控制在2～6之间（取整）。在不同极数下，定子槽数的数量见表1。

1.1.2 定子绕组的设计

在高压自起动永磁同步电动机运行中，会形成以转子永磁体为中心的气隙磁场，当导线通过气隙磁场时，从导线内部流过的电流会产生谐波。为了避免谐波在定子绕组产生环流，将定子绕组的端部设计成“Y”接形式。同时，将定子线圈设计成双层叠绕形式，尽量缩小上下2层绕组之间的间距改善气隙磁场波形。

1.2 转子的设计

1.2.1 转子槽型设计

高压自起动永磁同步电动机的转子槽型可分为2种基本类型，即闭口槽和半闭口槽。其中，闭口槽又可细分为闭口梯形槽、闭口梨形槽等若干种，半闭口槽则可以分成凸形槽、刀形槽、圆形槽等[1]。从实际应用效果来看，闭口槽转子的漏抗较大，导致电动机的启动速度变慢，因此本文在设计转子时选用了半闭口矩形槽。

1.2.2 转子磁路结构设计

从结构组成上看，高压自起动永磁同步电动机的转子上方为永磁体，因此不能像感应电机那样使用转子斜槽，只能设计成定子斜槽。转子上的永磁体有2种布置形式，一种是表面式，由于占用额外的空间，制作工艺难度大，很少使用。另一种是内置式，将永磁体置于转子导条与转子铁芯轴孔之间，节约了空间。但是内置式永磁体也存在弊端，例如容易导致转子磁路不对称，产生较大的磁阻转矩，磁路结构发生漏磁的概率也会大幅度升高。为了避免此类问题，本文在高压自起动永磁同步电动机的转子设计中，对内置式转子磁路结构进行了优化设计，将原来“一”字型排布的永磁体，更改为“V”型或“U”型，同时采取了加装隔磁磁桥的保护措施（图1），最大程度上杜绝结构漏磁现象的发生[2]。

1.3 转子永磁体与转子槽相对位置设计

如上文所述，在高压自起动永磁同步电动机的转子槽与永磁体之间加装了一段隔磁磁桥。根据隔磁磁桥布置形式的不同，又可分为“一”字型、“V”字型等类型。这里以最为常见的“V”字型隔磁磁桥为例，在永磁体与转子槽之间，以及相邻的2个永磁体之间，都布置了隔磁磁桥。其中，电动机的抗漏磁性能可以用漏磁系数来表示，漏磁系数越大，材料在外加磁场下的磁感应强度变化较大，意味着磁性响应能力较好[3]。而隔磁磁桥宽度是决定电动机漏磁系数的核心因素，当转子宽度一定时，隔磁磁桥宽度与漏磁系数的关系见表2。

由表2可知，当转子槽宽为5 cm时，隔磁磁桥宽度越大，漏磁系数也会变大，两者之间呈正相关。因此，在设计转子永磁体与转子槽相对位置时，可以适当增加两者之间的距离，预留出更多空间，以便于增加隔磁磁桥宽度，使电动机具备更好的电磁性能。

2 高压自起动永磁同步电动机实验

2.1 实验平台的搭建

选取一台6 kV-280 kW高压自起动永磁同步电动机，并按照上文设计内容对定子、转子、转子永磁体与转子槽相对位置等进行改造，验证该设计方案下的电动机性能。定子绕组为“Y”接形式，采用IP411机壳表面冷却方式，通过温度传感器实时获取电动机各个部位的温度，通过加速度计测量电动机的振动参数，通过扭矩传感器获取电动机所加负载值和转速。采用通信电缆将传感器采集到的数据输入到监控系统中，测试人员可以实时掌握电动机的温度变化和振动情况[4]。

2.2 工作特性测试

将样机启动运行1 min后，进入稳态运行阶段并开始工作特性测试。选取了定子电流、效率与功率因数3项指标反映电动机在冷态和热态时不同负载率下的指标变化。本次实验环境温度为22 ℃，首先让电动机稳定运行1.0 h（热态），测定此时电动机的定子电流、效率、功率因数；然后继续让电动机稳定运行2.0 h（冷态），以同样方法测定3项指标。统计实验测试数据并绘制变化曲线，这里以“效率-负载率”变化曲线为例，如图2所示。

由图2可知，高压自起动永磁同步电动机无论是在冷态还是热态下，随着负载率从20%增加至100%，其效率都呈现出上升趋势。横向对比来看，在电动机的负载率20%～60%阶段，效率变化较为明显；当电动机负载率升高到60%以后，效率趋于稳定。其中，冷态下电动机满载效率稳定在95%左右，此时对应的功率因数为0.983；热态下电动机满载效率稳定在98%左右，此时对应的功率因数为0.997。由此可见，高压自起动永磁同步电动机在稳态时的设计性能较好。

2.3 温升实验

通过温升实验可以直观地判断高压自起动永磁同步电动机在负载运行时绕组等关键部位的温度变化情况，进而反映电动机的定子、转子等部位设计是否合理。另外，电动机内永磁体的性能受到温度的直接影响，因此温升实验结果也可作为永磁体改良设计的重要依据。本文选择异步电机直接加载法进行高压自起动永磁同步电动机的温升实验。使高压自起动永磁同步电动机稳定运行60 min后，使用一个密封罩将风机出口塞住，并且不采取任何冷却措施，使电动机在该状态下持续运行90 min。然后拆除密封罩，让风机恢复正常的散热作用，直到温升实验结束[5]。收集温度传感器提供数据并整理成电动机定子绕组和轴承温度变化曲线图，如图3所示。

由图3可知，在电动机稳定运行的0～60 min内，绕组和轴承温度虽然有所上升，但是幅度并不明显。以绕组A为例，在60 min时温度为36.1 ℃，相比于初始温度25.7 ℃仅升高了10.4 ℃。在60～150 min的时间段内，由于风机封堵导致散热不畅，绕组与轴承的温度开始明显升高。还是以绕组A为例，在150 min时温度达到了55.7 ℃，相比于60 min时温度升高了19.6 ℃。在150 min后重新采取了风机散热措施后，绕组的温度有所下降，并且在180 min后绕组和轴承的温度都趋于稳定，此时电动机达到了热平衡状态。

2.4 振动的测量

振动虽然不能直接表示高压自起动永磁同步电动机的性能，但是对于其运行效率和使用寿命有较大的影响，也是衡量电动机设计与应用效果的重要指标。使电动机在同步速度空载及负载状态下开展了振动实验，将传感器分别置于电动机轴伸端的水平方向、垂直方向和轴向，主要测量速度、位移和加速度3项参数，实验数据见表3。

由表3数据可知，电动机在空载运行时振动较小；在负载运行时振动有所增加，但是总体来看对电动机正常运行的影响不大，该电动机具有良好的设计性能。

3 结束语

基于高压自起动永磁同步电动机的结构组成与运行环境，需要对定子冲片、定子绕组，以及转子槽型、转子磁路结构等方面展开优化设计。实验表明，经过设计改良后，高压自起动永磁同步电动机的运行稳定性得到了加强，在满载情况下最高效率稳定在95%以上，达到了设计预期。

参考文献：

[1] 阚超豪，赵如鹏，张贺.基于奇/偶互补磁场理论的新型自起动永磁同步电机[J].中国电机工程学报，2022（19）：11-12.

[2] 杨冬雪，陆华才.永磁同步电动机改进滑模位置控制算法[J].安徽工程大学学报，2022（1）：8-10.

[3] 白音高.浅谈高压多极异步起动永磁同步电动机起动故障的处理方法[J].电机技术，2023（6）：23-25.

[4] 徐晓慧.浅谈变频调速永磁三相同步电动机节能改造[J].防爆电机，2023（7）：78-79.

[5] 刘德昌，骆平，龚智伟.异步起动永磁同步电机节能效果研究[J].广西铁道，2023（13）：35-36.