永磁同步电动机具有功率因数高、效率高,在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机,是一种很有前途的节能电机。文章分析和计算内容包括永磁同步电动机的工作原理、永磁材料性能参数、其特点及选用原则、永磁同步电动机的结构、永磁同步电动机的稳态性能、自起动永磁同步电动机的主要参数、自起动永磁同步电动机的起动过程。最后阐述了永磁同步电机设计内容:1) 确定设计任务;2) 选取电机初始设计参数;3) 校核电机性能指标;4) 调整电机有关参数;5) 确定电机设计方案。 Permanent magnet synchronous motor (PMSM) has high power factor, high efficiency, and in many occasions began to gradually replace the most commonly used AC induction motor, which is a promising energy-saving motor. The analysis and calculation of the article include the working principle of PMSM, the performance parameters of permanent magnet material, its characteristics and selection principle, the structure of PMSM, the steady-state performance of permanent magnet synchronous motor, the main parameters of permanent magnet synchronous motor, self-starting PMSM starting process. Finally, the design contents of permanent magnet synchronous motor are expounded: 1) to determine the design task; 2) to select the motor initial design parameters; 3) to check the motor performance indicators; 4) to adjust the motor parameters; 5) to determine the motor design.
郭晨希1,张荣兰2
1西北工业大学自动化学院,陕西 西安
2盐城工学院土木工程学院,江苏 盐城
收稿日期:2017年8月11日;录用日期:2017年8月24日;发布日期:2017年8月30日
永磁同步电动机具有功率因数高、效率高,在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机,是一种很有前途的节能电机。文章分析和计算内容包括永磁同步电动机的工作原理、永磁材料性能参数、其特点及选用原则、永磁同步电动机的结构、永磁同步电动机的稳态性能、自起动永磁同步电动机的主要参数、自起动永磁同步电动机的起动过程。最后阐述了永磁同步电机设计内容:1) 确定设计任务;2) 选取电机初始设计参数;3) 校核电机性能指标;4) 调整电机有关参数;5) 确定电机设计方案。
关键词 :永磁同步电机,等效磁路法,工作特性曲线
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永磁同步电机具有电机体积小、重量轻、便于维护保养;结构简单紧凑、噪声低、具有很明显的节能效果;具有较宽的经济运行范围,可在其25%~120%中有效额定负载范围内具有高功率因数和高效率;运行效率高,转子中有永磁体励磁,无需励磁,转子无绕组并且定子绕组的损耗较小;电机性能受到气隙长度的影响要远小于感应电机,因此气隙要比同功率的感应电动机大的多;内置式交直轴的磁阻不同,进而产生的转子磁路不对称,弱磁性能也好,表面式的弱磁性能较差;但具有制造工艺较为复杂 [
永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机,其磁场系统由一个或多个永磁体组成,一般在笼型转子的内部,笼型用铜条或铸铝焊接而成,永磁体的磁极装镶有所需极数。其定子结构同异步电动机相似。当定子绕组接通电源后,电动机以异步电动机原理启动,当其加速转到同步转速时,定子磁场产生的同步转矩跟转子永磁磁场将转子迁入同步,电动机进入同步运行。
退磁曲线 [
如图1所示,退磁曲线上各点的回复线可近似认为是一组平行线,他们都与退磁曲线上坐标(Br, 0)处切线相平行。利用这一近似特性,实际工作中求取不同工作温度、不同工作状态的回复线就方便得多。内禀矫顽力HCJ反映永磁材料抗去磁能力的大小,是表征稀土永磁抗去磁能力强弱的一个重要参数。居里温度:随着温度的升高,磁性能逐步降低,升至某一温度时,磁化强度消失,该温度称为该永磁材料
图1. 1,2-退磁曲线3,4-磁能积曲线
的居里温度Tc,又称居里点。一种永磁材料在工作温度时的内禀矫顽力HCJT越大,内禀退磁曲线的矩形度Hk越好,则这种永磁材料的磁稳定性越高,即抗外磁场干扰能力越强。
永磁材料特点:转子中采用永磁体,目前主要以钕铁硼和稀土钻作为永磁材料。两者都是高剩磁、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料。钕铁硼永磁具有目前磁性能最高的永磁材料、价格便宜的优点;具有居里温度较低、温度系数较高,高温时退磁曲线下半部分弯曲,容易锈蚀的缺点。稀土钻永磁具有剩余磁感应强度Br、磁感应强度矫顽力Hc、及最大磁能积(BH)max都很高,退磁曲线基本上是一条直线,温度系数小,居里温度高的优点,具有价格贵、硬而脆装配困难的缺点。
永磁材料选择的原则:气隙磁场和性能指标;磁性能的稳定性;机械性能;价格适宜。永磁材料选择注意事项:需对永磁体进行逐块检测;磁场热处理工艺;稳磁处理。
等效磁路法 [
每极总磁通Φm来自于永磁体向外磁路提供,虚拟内漏磁通Φ0来自永磁体,外磁路提供的磁动势Fm来自于每对极磁路中永磁体两端,虚拟内禀磁通Φr来自永磁体。永磁体跟一个恒磁动势源Fc与一个恒定的内磁导Λ0相串联的磁动势源等效,如图3所示。它与图2所示的磁通源是等效的,二者可以互换,详公式(1)。在应用时可以根据不同的使用场合,从方便出发进行选择。
总磁通
将图5与图2或3合并,得到负载时永磁电机总的等效磁路,如图6所示。令
主磁导
图2. 永磁体跟磁通源等效
图3. 永磁体跟磁动势源等效
图4. 空载时外磁路的等效磁路
图5. 负载情况下等效磁路来自外磁路
图6. 负载时永磁电机的等效磁路;(a) 磁通源等效磁路;(b) 磁动势源等效磁路
漏磁因数
磁通基值
用标么值表示时,直线的回复线(或退磁曲线)表示成:
A) 磁路不饱和,即
a) 空载
求得空载时各部分磁通:永磁体提供的总磁通
漏磁通
b) 负载
负载时各部分磁通:永磁体提供的总磁通
漏磁通
B) 磁路是饱和的,
1) 当磁路的饱和程度不高时,近似计算
图7. 以标么值表示的等效磁路;(a) 磁通源等效磁路;(b) 磁动势源等效磁路
图8. 计算bm0框图
2) 当磁路比较饱和时,迭代法,详图8所示。
图解法求解等效磁路就是求出回复线
永磁体的最佳工作点
最大磁能的永磁体最佳工作点;
最大有效磁能的永磁体最佳工作点
永磁体最佳工作点的应用及注意事项:
退磁曲线有拐点时,校核 [
设计电机着重设计最佳电机,永磁体最佳利用有时可能被放弃。一般取
永磁同步电动机总体结构由固定部分、转动部分、辅助部分三部分组成。固定部分包括定子机座、定子铁心、定子绕组、端盖及底板等。转动部分又包含了转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等。转子铁心采用实心结构或叠片叠压结构。
一般制成多相,通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布,在空间互差120度电角度,通入三相交流电时,产生旋转磁场。
永磁同步电机按永磁体在转子位置不同分为表面式转子磁极结构和内置式转子磁极结构。
表面式转子磁极结构,具有直交轴电感Ld和Lq相同,较大气隙,小弱磁能力,限制了扩速能力的特点。内置式转子磁极结构,交直轴电感表示成Lq > Ld,较小气隙,弱磁能力较好的特点。
选择转子磁路结构 [
稀土永磁的相对回复磁导率约为1,永磁同步电动机转子磁导率(直轴磁路中)很小,电动机交轴电枢反应电感一般大于直轴电枢反应电感Xq > Xd。永磁同步电动机稳态运行性能计算分析。
稳态运行性能来包括失步转矩倍数、输出功率与输入功率、效率、电枢电流、功率因数等四者之间的关系。从他们的电磁基本关系和相量图推导可得出电动机稳态性能。
A) 电磁转矩和矩角特性
图9是矩角特性曲线 [
同步转速就不再保持。失步转矩倍数
B) 工作特性曲线 [
电动机的E0、Xd、Xq和R1等参数计算出来后,对于不同的转矩角θ,得出相应的定子相电流功率因数、输入功率等,从而求出电机损耗,便可得到电动机的输出功率P2和效率η,从而得到电动机稳态运行性能(P1、η、cosφ和I1等)与输出功率P2之间的关系曲线,即电动机的工作特性曲线。图10为按以上步骤求出的某台永磁同步电动机的工作特性曲线,图中曲线1为功率因数曲线,曲线2为效率曲线,曲线3为
图9. 永磁同步电动机的矩角特性
图10. 工作特性曲线
C) 损耗分析计算
a) 定子绕组电阻损耗
b)铁心损耗
c) 机械损耗:参考实测值或者其它电机的计算方法。
轴承摩擦损耗
滑动轴承
滚动轴承
d) 杂散损耗
A) 空载反电动势
B) 交、直轴电枢反应电抗
计算过程:
a) 给定某一转矩角θ;
b) 假设交轴电流分量
c) 根据
d) 由
e) 计算
f) 代入式
g)比较
异步起动永磁同步电动机跟普通感应电动机一样,起动中同样要最小转矩倍数、起动电流倍数、起动转矩倍数。同时,电机牵入同步能力要足够大。转子上装有永磁体的永磁同步电动机起动过程与感应电动机相比过程更复杂;起动中包括平均转矩和脉动转矩,且这些转矩的幅值均随电动机转速的改变而变化。
自起动永磁同步电动机可看成将永磁磁极放在鼠笼式感应电动机的转子中。永磁体提供磁通代替电励磁。起动中的驱动转矩由鼠笼导条产生异步转矩,同时,永磁转矩为制动性质。稳态运行时,永磁转矩起主要作用;转子转速决定鼠笼导条的异步转矩性质,转子转速大于同步速时,异步转矩为制动性质,当转速小于同步速时,异步转矩为驱动性质,当转速等于同步速时,异步转矩为零,总而之,鼠笼导条的作用是让电机运行在同步速。
永磁同步电动机包括如下范围:a) 额度参数和技术要求:额度功率、相数、额度频率、额度线电压、极对数、额度效率、启动电流倍数、额度功率因数、启动转矩倍数、失步转矩倍数等10项数据为电机最基本数据,后四项是根据实际要求来确定的;b) 主要尺寸:转子磁路结构、气隙长度、定子外内径、转子外内径、定转子铁心长度、电枢计算长度、定转子槽数、定子每极每相槽数、极矩、硅钢片质量;c) 永磁体计算;d) 定转子冲片冲片计算;e) 绕组计算;f) 磁路计算;g) 参数计算:电阻、转子绕组质量、漏抗系数、漏磁导、漏抗、折算系数等;h) 交轴磁化曲线计算;j) 工作特性计算;k) 启动性能计算。
在设计之前要明确设计任务,应充分考虑电机环境和使用工况基础上,确定电机技术指标和设计参数。技术指标包括:额定功率、相数、额定效率、额定电压、功率因数、额定频率、转速、起动转矩倍数、起动电流倍数等。
选取电机初始设计参数
根据所设计电机规格和电机技术指标,根据预估公式、设计经验、计算来确定电机初始设计参数;主要包括定子内径和铁心有效长度、定转子冲片及槽型尺寸、永磁体尺寸的估算、电枢绕组设计等。
A) 主要尺寸比。定子有效长度与极距之比称为主要尺寸比。当电机体积不变时,主要尺寸比大的电机,电机细长,反之则较粗短。主要尺寸比对电机技术经济性能有明显的影响。
定子最常用的有四种,梨形槽、梯形槽、半闭口槽和开口槽。其中梨形槽最常用。由给定的定子冲片即可知道定子冲片内径,再由电动机的功率和电机常数选择电枢计算长度。定子冲片内径
永磁同步电机设计的难点也是关键点是转子设计。包括预估永磁体尺寸、确定其槽数、确定磁路结构。内置式转子常被自起动永磁同步电机采用。内置式转子磁路结构分为径向式、切向式和混合式三种。其定转子槽数确定虽跟感应电动机同,但槽配合确定不同。槽配合对自起动永磁同步电动机的附加损耗、振动、噪音、起动性能等有很大影响。
B) 选取电磁负荷。线负荷定义A为要定子内圆周(电枢绕组圆)上单位长度的安培导体数,磁负荷定义Bδ为气隙(基波)磁通密度的幅值。电机设计电磁负荷依据电机制造和运行经验所积累的数据来选取。
C) 永磁体尺寸的估算。磁化方向长度
D) 电枢绕组设计。其绕组跟普通交流电动机同。因永磁同步电动机气隙磁场谐波多,使电动势谐波也多。为避免电动机绕组中产生环流,同时削弱电动势谐波,同步电动机采用Y接的双层短距绕组。为减少杂散损耗和改善其波形,采用双层正弦绕组。限制电动机的槽满率、定子槽形尺寸、电磁负荷来确定永磁同步电动机的线规和绕组匝数。
E) 槽满率核算。导线中有规则排列所占面积与槽有效面积之比值为槽满率,一般控制在0.75~0.85范围。如果槽满率过高或过低,调整线规,调整槽尺寸。
通过等效磁路法,采用迭代法,电机中各部分磁密就可计算出来:定转子气隙磁密、定转子扼磁密、齿磁密可参考Y系列电磁负荷控制值校核;电机的额定效率、功率因数、运行性能参数等;起动性能:起动转矩、起动转矩倍数和起动电流。
由电机校核计算得到的参数,电机起动性能、运行性能、各部分磁密等。判断电机各部分磁密与经验参数取值是否合适;判断设计技术性能要求与电机起动性能和运行性能比较是否满足设计要求。如果全部或部分不满足要求或不合适,电机参数就不合适,那么我们需要重新调整电机参数重新计算。
电机性能各方面指标满足要求或合适时,就完成了自启动永磁电动机设计,电机设计方案就这样确定了。
文章介绍永磁同步电动机特点及应用,详细阐述和分析了自起动永磁同步电动机工作原理、设计方法及设计特点等,最后提出了自起动永磁同步电动机的设计方案、设计步骤。自起动永磁同步电动机具有高效率和高功率因数,还可自起动等优点,在能源缺乏大背景下,具有广阔的市场前景。
郭晨希,张荣兰. 自起动永磁同步电动机的计算分析与设计Calculation and Design of Self-Starting Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. 智能电网, 2017, 07(04): 294-305. http://dx.doi.org/10.12677/SG.2017.74033