王 亮，王 晨，黃金霖

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，安徽 蕪湖 241000)

引言

隨著科技的日益發(fā)展，人類對能源的要求越來越高，能源的利用率，特別是電能的利用率成為人們?nèi)找骊P(guān)注的話題。在工、企業(yè)中，效率與功率因數(shù)偏低的傳統(tǒng)異步電機(jī)逐漸被高性能的永磁電機(jī)所代替。

異步起動永磁同步電機(jī)較傳統(tǒng)異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn);較永磁同步電機(jī)其起動轉(zhuǎn)矩大、起動性能優(yōu)越。因此，在起動性能要求較嚴(yán)的場合得到廣泛應(yīng)用，如抽油機(jī)、紡織機(jī)以及電梯等場合［1-2］。

雖然異步起動永磁同步電機(jī)在諸多場合的應(yīng)用有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但其永磁體置于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，漏磁現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而隔磁橋的放置又影響電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，因此，其轉(zhuǎn)子永磁體和隔磁橋的尺寸對電機(jī)的性能與電磁特性產(chǎn)生較大的影響［3-4］。文獻(xiàn)［5］通過場路結(jié)合的方法，對異步起動永磁同步電機(jī)的起動性能做了深入分析，并通過實(shí)驗證明該計算方法的準(zhǔn)確性;文獻(xiàn)［6］在考慮磁路飽和的前提下，分別建立抽油機(jī)專用異步起動永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)的有限元分析模型，分析了異步起動永磁同步電機(jī)的優(yōu)越性，并通過實(shí)驗，驗證了方法的準(zhǔn)確性;文獻(xiàn)［7］設(shè)計了一款實(shí)心式永磁同步電機(jī)，研究永磁體尺寸對電機(jī)起動能力的影響，并試制樣機(jī)，樣機(jī)測試結(jié)果與分析結(jié)果相吻合;文獻(xiàn)［8］利用正交試驗的方法研究復(fù)合材料導(dǎo)條尺寸對電機(jī)運(yùn)行性能的影響，優(yōu)化后的電機(jī)取得了較好的起動性能。但上述文獻(xiàn)只針對電機(jī)的電磁性能和永磁體尺寸的優(yōu)化進(jìn)行分析研究，對隔磁橋的優(yōu)化并不多見。

本文設(shè)計了一臺72槽8極30 kW抽油機(jī)用異步起動永磁同步電機(jī)，在綜合考慮起動性能和電磁性能的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)化分析的方法，優(yōu)化電機(jī)的永磁體和隔磁橋尺寸，為異步起動永磁同步電機(jī)的優(yōu)化分析和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 異步起動永磁同步電機(jī)的優(yōu)化模型

以效率和生產(chǎn)成本為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮電機(jī)的起動性能和電磁特性，對初步設(shè)計的異步起動永磁同步電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析，使得電機(jī)的效率達(dá)到最佳［3］。其數(shù)學(xué)模型為:尋求滿足約束條件Gj(x)≥0的自變量x，使得F(x)的值達(dá)到最大，即:

式中:F(x)是效率目標(biāo);Gj(x)為約束條件，滿足電機(jī)的電磁特性;x為電機(jī)的尺寸變量。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1 隔磁橋尺寸的優(yōu)化

為了提高電機(jī)的過載能力和起動性能，異步起動永磁同步電機(jī)的永磁體均置于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，可通過內(nèi)置轉(zhuǎn)子磁路的不對稱產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩增大，起動時間得到有效地縮短［9］。

但此類結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致永磁體的漏磁現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此，需要使用合適的隔磁裝置，如圖1所示。

圖1 隔磁橋示意圖

隔磁橋的尺寸不僅對電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，對異步起動永磁同步電機(jī)的效率和電磁性能也存在一定的影響。利用有限元分析軟件，得出隔磁橋的寬度ω對電機(jī)的效率的影響，如圖2所示。

圖2 電機(jī)效率隨隔磁橋尺寸的變化

由圖2可知，隨著隔磁橋長度的升高，電機(jī)效率呈先升高后下降的趨勢，當(dāng)隔磁橋?qū)挾葹? mm時，電機(jī)的效率最高;但過小的隔磁橋?qū)挾葧?dǎo)致電機(jī)的漏磁增多，而過大的隔磁橋尺寸會影響電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度。綜合考慮，選取隔磁橋的長度為5 mm最合適，電機(jī)運(yùn)行性能最優(yōu)。

2.2 氣隙長度的優(yōu)化

氣隙是電機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換的場所所在，氣隙的長度嚴(yán)重影響電機(jī)的效率和電磁特性。過大或過小的氣隙均會使電機(jī)導(dǎo)致一系列問題［5］。過小會導(dǎo)致機(jī)械性能不穩(wěn)定，空載反電勢諧波含量增大，產(chǎn)生較大的溫升和噪音;過大會使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩出力不夠，效率降低［10-11］。因此，在保證電機(jī)效率與性能不變的情況下，需要選取合適的氣隙長度。圖3是在不同氣隙長度下電機(jī)的效率曲線。

圖3 效率隨氣隙長度的變化

由圖3可知，氣隙長度在0.3 mm與2.2 mm之間變化時，電機(jī)的效率呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)氣隙長度為1.3 mm時，電機(jī)的效率最優(yōu)。

2.3 永磁體尺寸的優(yōu)化

異步起動永磁同步電機(jī)的永磁體內(nèi)置于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，其尺寸大小不僅對電機(jī)的效率和交直軸電感有影響，而且對異步起動永磁同步電機(jī)的起動性能(起動轉(zhuǎn)矩和牽入同步的時間等)有很大的影響。

過高的起動轉(zhuǎn)矩與起動電流比不僅造成大量永磁材料的浪費(fèi)，使電機(jī)的制造成本增加，且不能明顯的改善電機(jī)的起動性能。

永磁體的寬度隨電機(jī)效率的變化曲線如圖4所示，永磁體寬度隨電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的變化曲線如圖5所示。

圖4 電機(jī)效率隨永磁體寬度的變化

由圖4與圖5可知，隨著永磁體寬度的增加，電機(jī)的效率與起動轉(zhuǎn)矩呈先線性增加，后飽和的趨勢變化。過大的永磁體不僅不能提高電機(jī)的起動性能與效率，還會使得電機(jī)的成本增加，綜合考慮上述兩個因素，電機(jī)的永磁體尺寸選取為14 mm。

圖5 起動轉(zhuǎn)矩隨永磁體尺寸變化

3 電磁特性分析

3.1 氣隙磁密

建立優(yōu)化后的有限元分析模型，利用有限元分析軟件ANSOFT分析優(yōu)化后的電機(jī)電磁特性。電機(jī)的空載反電勢曲線和諧波分析如圖6所示。

圖6 空載反電勢仿真圖

由圖6(b)可知，電機(jī)的3次與5次諧波含量較高，這是由于電機(jī)的定子繞組采取了合適分布繞組，減小了7次諧波含量。

3.2 起動性能分析

異步起動永磁同步電機(jī)起動過程中具有異步電機(jī)的特點(diǎn)，而起動完成后，跟永磁同步電機(jī)的特性相似。

由于轉(zhuǎn)子永磁體的存在，使得該類電機(jī)具有特有的起動特性，其起動過程較為復(fù)雜，對電機(jī)的起動過程進(jìn)行有限元分析時，要綜合考慮以下幾點(diǎn)要素［6-7］:

(1)選擇合適的步長和時間，時間過短未拖入同步轉(zhuǎn)速，時間過長影響仿真時間，且網(wǎng)格剖分對起動過程影響較大。

(2)由于起動過程產(chǎn)生過大的起動電流，且起動過程存在多個轉(zhuǎn)矩相互作用，因此，采用場路結(jié)合的方法分析。

(3)轉(zhuǎn)子的初始位置對起動過程影響較大。

建立有限元分析模型，選取合適的激勵方式和初始位置，建立有效的等效電路，對電機(jī)的起動過程進(jìn)行有限元仿真分析，得出電機(jī)的磁力線分布圖與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線圖分別如圖7與圖8所示。

圖7 電機(jī)的磁力線分布圖

圖8 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

由圖7可知，起動過程中，轉(zhuǎn)子磁力線分布不均勻，這是由于轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)，使得磁力線均集中在轉(zhuǎn)子表面，呈不均勻分布;達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，磁力線分布均勻，集膚效應(yīng)消失。

由圖8可知，異步起動永磁同步電機(jī)的起動過程與感應(yīng)電機(jī)的起動過程基本相似，與之不同的是異步起動永磁同步電機(jī)在0.2 s左右是由永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使其牽入同步轉(zhuǎn)速。電機(jī)牽入同步轉(zhuǎn)速以后，雖然異步轉(zhuǎn)矩一直減小直至為零，但永磁體旋轉(zhuǎn)磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速會超過同步轉(zhuǎn)速;永磁體產(chǎn)生的磁場對電機(jī)的起動過程有很大的影響，因此LSPMSM電機(jī)在起動過程中有很強(qiáng)的振蕩作用，但隨著異步轉(zhuǎn)矩的作用電機(jī)最終會穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。

4 結(jié)論

在研究異步起動永磁同步電機(jī)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種72槽8極異步起動永磁同步電機(jī)，綜合考慮起動性能和電磁性能的條件下，對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論:

(1)永磁體隔磁橋尺寸、氣隙長度等對電機(jī)的起動性能和效率產(chǎn)生一定的影響。

(2)該類電機(jī)起動過程出力大，適合于大轉(zhuǎn)矩起動的場合，利用ANSOFT軟件可有效縮短該類電機(jī)的開發(fā)周期。

(3)該類電機(jī)在起動過程中，由于定子電流與永磁體的雙重作用，起動過程較復(fù)雜。

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