低压永磁同步电动机不同转子磁路结构分析

2018-09-19

防爆电机 2018年5期

(国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯154002)

0 引言

近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方便获得越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入一个新的阶段。

永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗，转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。电枢绕组既可以采用集中整距绕组的，也可以采用分布短距绕组和非常规绕组的。永磁电机的气隙大小是一个非常重要的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机敏感，但是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其它性能。而且，气隙的大小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。永磁同步电动机与其他电机最主要的区别是转子磁路结构，下面对其进行详细分析。转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场所也不同。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、内置式和爪极式。

1 结构分类

1.1 表面式转子磁路结构

这种结构中，永磁体通常呈瓦片型，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁路的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带起保护作用。

表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两种，对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子磁路结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁结构，故而在电磁性能上处于凸极转子磁路结构。

1.2 内置式转子磁路结构

这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间(对外转子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁心内圆之间)有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或者铜条笼，起阻尼或(和)起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩散。

按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子的磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。

1.3 爪极式转子磁路结构

爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形的永磁体构成。左右法兰盘的爪数相同，且两者的爪极相互错开，沿圆周均匀分布，永磁体轴向充磁，因此左右法兰盘的爪极分别形成差异，相互错开的永磁同步电动机的磁极。爪极式结构永磁同步电动机的性能较低，实际生产中较少使用。

2 性能分析

我们利用Ansoft计算软件对永磁同步电动机进行分析，以55kW- 4电机为例，分析了自起动和变频起动永磁同步电动机。

2.1 自起动永磁同步电动机

2.1.1 结合Ansoft计算软件，我们对自起动永磁同步电动机中的“一”字型、“V”字型、“W”型以及“U”型转子磁路结构分别进行分析，分别得出永磁同步电动机热负荷、空载反电势、失步转矩倍数、堵转参数、起动参数以及齿槽转矩等性能数据，具体见表1。

表1 性能分析

通过结果对比分析我们可知：“W”型转子磁路结构温升以及过载能力强但起动性能较差、齿槽转矩较大；“U”型转子磁路结构起动性较好但过载能力差；从性能上综合分析，“一”字型和“V”字型较好，但从工艺角度上分析，“一”字型单块永磁体尺寸较大，操作困难，故对于自起动永磁同步电动机来说“V”字型转子磁路结构更好。

2.1.2 接下来我们对“V”字型转子磁路结构进行进一步分析，在其余参数保持不变的情况下，分别对气隙大小、“V”型夹角大小以及起动笼的形状进行分析，可得如下结论。

当气隙大小逐渐增加时，电机的空载反电势越来越小，电机的齿槽转矩先是减小但随后又增加，故在气隙达到2倍同规格异步电动机气隙时，电机性能较为优良；由分析可知，当“V”型夹角即同一极下的两块磁钢所呈夹角角度过小时，电动机会无法启动，但当夹角越大时所需起动时间越长，故“V”型夹角应在100°～150°之间，此时性能较好且在工艺上便于镶嵌磁钢；对比矩形起动笼和圆形起动笼永磁电动机性能数据结果可知，矩形起动笼永磁电动机性能略好于圆形起动笼永磁电动机，但是矩形起动笼对冲片模具耗损较大，使用年限不如圆形起动笼模具，故优先考虑圆形起动笼。

2.2 变频起动永磁同步电动机

2.2.1 同样结合Ansoft计算软件，我们对变频起动永磁同步电动机中的“V”字型和表贴式转子磁路结构分别进行分析，而且我们已知变频起动永磁同步电动机转子偏心有利于消除谐波和大大降低齿槽转矩等优点，故本文直接分析“V”字型和表贴式两种典型转子磁路结构偏心后的性能分析，分别得出永磁同步电动机效率、功率因数、电密、热负荷、定子齿磁密、定子部磁密、气隙磁密、漏磁系数、空载反电势以及失步转矩倍数等性能数据，具体见表2。

表2 性能分析

经对比分析，在相同条件下，尽管表贴式性能略好于“V”字型，但表贴偏心式转子磁路结构在工艺上非常难加工实现，故综合考虑，“V”字型比表贴式更实际、更优良。

2.2.2 接下来我们对“V”字型转子磁路结构进行进一步分析，在其余参数保持不变的情况下，分别对偏心距大小以及永磁体槽型进行圆角处理进行分析，可得如下结论。

当我们观察磁密云图时发现，永磁体槽型的尖角处有磁密过高的情况，当将尖角改为圆角后，一方面，此处的磁密大大降低，而且电机的性能没有变化，使得电机整体性能更加优良。另一方面，对于转子冲片模具来说，圆角比尖角更能延长模具的使用寿命；偏心圆圆心和整个图形圆心相差的距离为偏心距，我们已知转子偏心可以很好的消除谐波的影响，当偏心距越大时，电机的齿槽转矩越小，空载反电势越大，但同时，定子的齿磁密和轭磁密也越大，故此，在定子磁密饱和前偏心距越大越好。