異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)若干難點(diǎn)問(wèn)題的研究.pdf

1、在結(jié)構(gòu)上，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)可以看作是在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部放置了永磁體，能夠依靠轉(zhuǎn)子鼠籠產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)。與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。在全球節(jié)能減排的趨勢(shì)之下，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來(lái)，學(xué)者們已經(jīng)對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)展開(kāi)了深入的研究，為該類(lèi)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造及推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但是，在異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中

2、，仍然存在一些問(wèn)題，這主要是由于該類(lèi)電機(jī)的永磁體退磁、齒槽轉(zhuǎn)矩及電磁振動(dòng)三個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題缺乏深入系統(tǒng)的研究。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)若干難點(diǎn)問(wèn)題的研究”(51177089)，針對(duì)這三個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)了研究，主要的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中及不同故障工況下的退磁特點(diǎn)
　　為了更好地反映永磁體的退磁狀態(tài)，根據(jù)有限元仿真結(jié)果確定了永磁體的最小工作點(diǎn)，它不僅可以反映永磁體的整體

3、退磁狀態(tài)，還能反映永磁體是否發(fā)生局部不可逆退磁。以一臺(tái)22kW、6極異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)為樣機(jī)，利用有限元法研究了電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中及三相供電電壓不對(duì)稱(chēng)、失步及超同步運(yùn)行、突然反轉(zhuǎn)等工況下的退磁特點(diǎn)。為了便于說(shuō)明，定義了永磁體的局部最大退磁點(diǎn)和全局最大退磁點(diǎn)的概念:永磁體的局部最大退磁點(diǎn)是電機(jī)某一次瞬態(tài)過(guò)程中永磁體最小工作點(diǎn)曲線(xiàn)的最小值;而某一工況下的永磁體全局最大退磁點(diǎn)是電機(jī)遇到該工況下的最嚴(yán)重退磁磁場(chǎng)時(shí)永磁體的最小工作點(diǎn)。
　　

4、分析了電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中定轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢(shì)對(duì)永磁體的退磁作用，發(fā)現(xiàn):定轉(zhuǎn)子繞組的直軸合成基波磁動(dòng)勢(shì)可以準(zhǔn)確反映永磁體的退磁狀態(tài)，其與永磁體最小工作點(diǎn)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)吻合較好。針對(duì)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中何時(shí)永磁體退磁最嚴(yán)重的爭(zhēng)議，進(jìn)一步分析了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)子初始位置對(duì)永磁體局部最大退磁點(diǎn)的影響。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn):負(fù)載條件及轉(zhuǎn)子初始位置不同時(shí)，永磁體的局部最大退磁點(diǎn)可能出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速，但是隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大，永磁體的局部最大退磁點(diǎn)出現(xiàn)在

5、電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)的概率增大;并且永磁體的局部最大退磁點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速越接近同步速，永磁體的局部最大退磁點(diǎn)低的概率也越大。
　　進(jìn)一步研究了電機(jī)在多種故障工況下的退磁特點(diǎn)，包括三相供電電壓不對(duì)稱(chēng)、失步及超同步運(yùn)行、突然反轉(zhuǎn)等工況，分析了負(fù)載條件等對(duì)永磁體退磁的影響，得到了永磁體最大退磁磁場(chǎng)的出現(xiàn)規(guī)律。
　　此外，本文將異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和磁路計(jì)算模型結(jié)合，建立了電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中永磁體平均工作點(diǎn)的解析計(jì)算模型

6、。利用電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中每時(shí)刻的定轉(zhuǎn)子電流值，利用該電流值計(jì)算出永磁體的退磁磁動(dòng)勢(shì)，然后將該退磁磁動(dòng)勢(shì)導(dǎo)入電機(jī)的磁路計(jì)算模型計(jì)算對(duì)應(yīng)的永磁體平均工作點(diǎn)。通過(guò)與有限元仿真結(jié)果作比較，驗(yàn)證了該解析計(jì)算模型的正確性。
　　2.異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析及其削弱措施
　　現(xiàn)有關(guān)于永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的研究主要局限于單邊開(kāi)槽永磁電機(jī)，而異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩缺乏有效的解析分析方法及削弱措施。由于

7、異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子雙邊開(kāi)槽，定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，有效氣隙長(zhǎng)度的分布十分復(fù)雜，這大大增加了該類(lèi)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析計(jì)算難度。為了降低有效氣隙長(zhǎng)度分布的解析計(jì)算難度，本文將整個(gè)轉(zhuǎn)子（包括轉(zhuǎn)子齒槽）的作用等效為氣隙磁動(dòng)勢(shì)分布，這樣有效氣隙長(zhǎng)度的分布就只與定子齒槽分布有關(guān)，利用能量法得到了異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式。需要指出的是，該解析表達(dá)式的目的不在于齒槽轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確計(jì)算，而在于建立齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)參數(shù)之間的明晰關(guān)系

8、。
　　利用上述齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式，分析了電機(jī)極槽數(shù)配合、定子斜槽、不均勻氣隙等對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，發(fā)現(xiàn):通過(guò)采用不均勻氣隙、選擇合適的極槽數(shù)配合可以得到較小的齒槽轉(zhuǎn)矩;而選擇合適的定子斜槽數(shù)可以徹底消除齒槽轉(zhuǎn)矩。
　　此外，進(jìn)一步研究了異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱措施。推導(dǎo)了改變定子齒寬、定子不等齒寬配合、定子不等槽口寬配合、改變轉(zhuǎn)子齒寬、轉(zhuǎn)子不等齒寬配合、轉(zhuǎn)子不等槽口寬配合及磁極偏移時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式，分別得

9、到了能有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的電機(jī)參數(shù)確定方法，并利用有限元法研究了上述措施的有效性以及對(duì)電機(jī)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，本文所提出的措施均能有效削弱異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，并且不會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響。
　　3.異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁力的解析分析及電磁振動(dòng)的抑制措施
　　電機(jī)的電磁振動(dòng)是由隨時(shí)間變化的電磁力作用于定子鐵心所引起的，目前，尚未有文獻(xiàn)建立異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁力的解析計(jì)算模型，這主要是由于該類(lèi)電機(jī)

10、的定轉(zhuǎn)子雙邊開(kāi)槽結(jié)構(gòu)大大增加了其電磁力的解析計(jì)算難度。本文采用齒槽轉(zhuǎn)矩研究中的轉(zhuǎn)子等效方法，降低了解析計(jì)算該類(lèi)電機(jī)電磁力的難度，利用麥克斯韋張量法得到了電機(jī)空載電磁力的解析表達(dá)式。需要說(shuō)明的是，該解析表達(dá)式的目的不在于電磁力的準(zhǔn)確計(jì)算，而在于建立電機(jī)參數(shù)與不同階數(shù)、頻率的電磁力之間的明晰關(guān)系。
　　以一臺(tái)1.5kW、4極異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)為樣機(jī)，利用有限元法計(jì)算了其空載氣隙磁密及電磁力分布，利用機(jī)械阻抗法計(jì)算得到了主要低階電磁

11、力產(chǎn)生的電磁振動(dòng)噪聲聲功率級(jí)頻譜，得到了需要抑制的主要電磁力的階數(shù)及頻率。利用上述電磁力解析計(jì)算方法，計(jì)算了改變轉(zhuǎn)子齒寬、改變定子齒寬、定子不等齒寬配合以及定子不等槽口寬配合時(shí)空載電磁力的解析表達(dá)式，得到了能有效抑制上述主要電磁力的電機(jī)參數(shù)確定方法，并利用有限元法驗(yàn)證了上述措施的有效性以及對(duì)電機(jī)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，本文所提出的措施均能有效抑制對(duì)電磁振動(dòng)起主要作用的電磁力，可以有效抑制異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載電磁振動(dòng)，并且對(duì)電機(jī)

12、性能產(chǎn)生的影響較小。
　　利用電機(jī)電磁力的解析分析模型，進(jìn)一步研究了轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心、動(dòng)態(tài)偏心對(duì)電磁力頻率成分的影響;結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子不偏心與靜態(tài)偏心時(shí)，電磁力的主要頻率成分為電源頻率的偶數(shù)倍，而轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心時(shí)，電磁力的主要頻率成分比轉(zhuǎn)子不偏心時(shí)增加了半倍電源頻率的奇數(shù)倍、電源頻率的奇數(shù)倍。另外，實(shí)測(cè)了1.5kW樣機(jī)的空載振動(dòng)頻譜，其主要頻率成分與解析分析結(jié)果相符，這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的電磁力解析分析模型能夠反映異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)