劉立軍 張映明 康基宏

（東元總合科技（杭州）有限公司，杭州 310013）

1 引言

工業(yè)生產(chǎn)離不開電動(dòng)機(jī)。IEC60034-30指出：全世界工業(yè)用電動(dòng)機(jī)消耗了總發(fā)電量的30%～40%，其系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能潛力可達(dá)到30%～60%；國(guó)際能源署電動(dòng)機(jī)工作組報(bào)告 ：電動(dòng)機(jī)通過改善效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約世界范圍內(nèi)7%的電能，其中1/4～1/3的節(jié)約可來自于改善電動(dòng)機(jī)的效率。歐盟“提高高效電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)份額”，SAVEⅡ研究報(bào)告顯示∶工業(yè)用電動(dòng)機(jī)消耗電能占工業(yè)用電消耗的73%。中國(guó)是個(gè)發(fā)展中國(guó)家，相對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)工業(yè)發(fā)展比中國(guó)第三產(chǎn)業(yè)和占人口 60%～70%的農(nóng)村要快很多。

因此，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)消耗的電能的比例應(yīng)比已開發(fā)國(guó)家和地區(qū)更高（估計(jì)占總發(fā)電量的 40%以上），且工業(yè)各不同行業(yè)的結(jié)構(gòu)和總量比例也與已開發(fā)國(guó)家和地區(qū)不同[1]。

因此電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能意義重大。而對(duì)于小功率異步電動(dòng)機(jī)而言，由于其結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，為滿足新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)遇到很多困難。因此以永磁同步電動(dòng)機(jī)來替代異步電動(dòng)機(jī)將具有非常明朗的發(fā)展前景。

2 永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 定子齒軛比例分布

永磁電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)上有較大差異。因?yàn)橛来烹妱?dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)時(shí)矩形波，其計(jì)算極弧系數(shù)可以高達(dá) 0.9以上，而異步電動(dòng)機(jī)的計(jì)算極弧系數(shù)為正弦波，其計(jì)算計(jì)算極弧系數(shù)一般為0.63.所以永磁電動(dòng)機(jī)每極磁通較平均的分配到齒部，而異步電動(dòng)機(jī)每極磁通主要集中在每極中心線處的幾個(gè)齒上，容易形成局部磁場(chǎng)飽和。

從圖1可以明顯看出磁場(chǎng)在定子齒部的分布情況符合上述分析。因此從電動(dòng)機(jī)定子鐵心結(jié)構(gòu)看，相同定子齒部結(jié)構(gòu)下，永磁電動(dòng)機(jī)的軛部高度要大于異步電動(dòng)機(jī)的高度。所以當(dāng)采用原來異步電動(dòng)機(jī)定子為永磁電動(dòng)機(jī)定子時(shí)，在滿足定子軛部磁密的條件下，氣隙磁密和定子齒部磁密都較小。如果要合理設(shè)計(jì)永磁電動(dòng)機(jī)，定子結(jié)構(gòu)必須重新設(shè)計(jì)。

2.2 永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇

自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子槽配合要求如下所示[2]：

圖1 不同電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布

（1）考慮轉(zhuǎn)子磁路對(duì)稱性，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為極數(shù)的整數(shù)倍，且采用多槽遠(yuǎn)槽配合。

（2）為避免起動(dòng)過程中產(chǎn)生較強(qiáng)的異步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)滿足 Qr≤1.25×(Qs+P)。

（3）為避免產(chǎn)生同步附加轉(zhuǎn)矩，應(yīng)滿足 Qr≠Q(mào)s；Qr≠Q(mào)s±P；Qr≠Q(mào)s±2P 。

（4）為避免單向震動(dòng)力，應(yīng)滿足 Qr≠Q(mào)s±1；Qr≠Q(mào)s±P±1。

以Qs=48為例，根據(jù)第一條，轉(zhuǎn)子槽數(shù)應(yīng)為36，40，44，48，52，56，60等；根據(jù)第二條，轉(zhuǎn)子槽數(shù)應(yīng)小于62；根據(jù)第三條，44，48，52不能作為轉(zhuǎn)子槽數(shù)；因此能夠滿足轉(zhuǎn)子槽數(shù)的只有36，40，56，60。對(duì)于 10HP的小電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子槽數(shù)不能太多，否則增加工藝難度。而36槽可能會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)困難，所以轉(zhuǎn)子槽數(shù)選擇為40。對(duì)于大功率永磁電動(dòng)機(jī)，為了降低轉(zhuǎn)子電密，轉(zhuǎn)子槽數(shù)選擇為56。

2.3 定子斜槽

為了提高電動(dòng)機(jī)性能，降低電氣參量中的諧波含量，一般定子繞組采用短距繞組（單層繞組不能實(shí)現(xiàn)），并且采用斜槽來實(shí)現(xiàn)。但是永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子要插入永磁體，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斜槽或永磁體斜極都難以實(shí)現(xiàn)。所以只能采用定子斜槽。下面以Qs=48，Qr=40電動(dòng)機(jī)為例，分析定子槽斜不同的電角度，對(duì)繞組反電動(dòng)勢(shì)的影響。

從圖2到圖5可以看出，當(dāng)定子采用斜槽時(shí)，基波，5次諧波，7次諧波基本上無影響。而定轉(zhuǎn)子齒諧波明顯下降，當(dāng)定子斜槽距離為一個(gè)齒距時(shí)，各次齒諧波基本上抵消了。所以從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，定子需要采用斜槽。而目前異步電動(dòng)機(jī)的定子都為直槽，所以批量生產(chǎn)必須調(diào)整生產(chǎn)線。

圖2 定子繞組反電動(dòng)勢(shì)基波分量隨定子斜槽距離的變化

圖3 定子繞組發(fā)電動(dòng)勢(shì)5次和7次諧波含量隨定子斜槽距離的變化

圖4 轉(zhuǎn)子齒諧波含量隨定子斜槽距離的變化

圖5 定子齒諧波含量隨定子斜槽距離的變化

3 高效永磁同步電動(dòng)機(jī)開發(fā)案例分析

2009年東元-西屋開發(fā)了一款10HP高效永磁電動(dòng)機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 10HP永磁高效馬達(dá)額定技術(shù)參數(shù)

3.1 高效永磁同步電動(dòng)機(jī)性能有限元分析

（1）定子繞組空載反電動(dòng)勢(shì)分析

圖6 定子繞組空載反電動(dòng)勢(shì)諧波分析

從圖6可以看出，定子繞組諧波含量主要為三次諧波，采用繞組Y接，可以消除。

（2）空載氣隙磁密諧波分析

（3）高效馬達(dá)起動(dòng)性能分析

圖7 空載氣隙磁密諧波分析（不考慮定子斜槽）

圖8 電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速的變化（負(fù)載和空載）

圖9 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩的變化（負(fù)載和空載）

3.2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表2 10HP高效永磁馬達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

圖10 定子電流與輸出功率的變化關(guān)系

圖11 效率與輸出功率的變化曲線

圖12 功率因子與輸出功率的變化曲線

從上述各圖可以看出，實(shí)測(cè)性能比設(shè)計(jì)性能理想，超過IE4的要求。

4 結(jié)論

近年來，隨著國(guó)際上節(jié)能環(huán)保的意識(shí)越來越強(qiáng)，作為工業(yè)生產(chǎn)中耗電量最大的動(dòng)力設(shè)備，提高其效率有著重要的意義。

對(duì)于目前市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的中小型異步電動(dòng)機(jī)，要想進(jìn)一步提高其效率，困難重重，如成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。因此高效永磁同步電動(dòng)機(jī)將是滿足新的能效等級(jí)的適宜選擇。

[1]陳偉華.電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能綜述.2008第三屆電工裝備與創(chuàng)新發(fā)展論壇論文.2008.

[2]王秀和.永磁電機(jī)[M].北京∶中國(guó)電力出版社,2007.