異步起動永磁同步電動機若干難點問題的研究.pdf

1、在結(jié)構(gòu)上，異步起動永磁同步電動機可以看作是在感應電動機的轉(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)矩實現(xiàn)自起動。與感應電動機相比，異步起動永磁同步電動機具有效率高、功率因數(shù)高及經(jīng)濟運行范圍寬等優(yōu)點。在全球節(jié)能減排的趨勢之下，異步起動永磁同步電動機的優(yōu)勢將進一步凸顯，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來，學者們已經(jīng)對異步起動永磁同步電動機展開了深入的研究，為該類電機的設計、制造及推廣應用奠定了基礎。但是，在異步起動永磁同步電動機的實際應用中

2、，仍然存在一些問題，這主要是由于該類電機的永磁體退磁、齒槽轉(zhuǎn)矩及電磁振動三個關(guān)鍵難點問題缺乏深入系統(tǒng)的研究。本文依托國家自然科學基金項目“異步起動永磁同步電動機若干難點問題的研究”(51177089)，針對這三個難點問題展開了研究，主要的研究內(nèi)容如下:
　　1.異步起動永磁同步電動機起動過程中及不同故障工況下的退磁特點
　　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，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22kW、6極異步起動永磁同步電動機為樣機，利用有限元法研究了電機起動過程中及三相供電電壓不對稱、失步及超同步運行、突然反轉(zhuǎn)等工況下的退磁特點。為了便于說明，定義了永磁體的局部最大退磁點和全局最大退磁點的概念:永磁體的局部最大退磁點是電機某一次瞬態(tài)過程中永磁體最小工作點曲線的最小值;而某一工況下的永磁體全局最大退磁點是電機遇到該工況下的最嚴重退磁磁場時永磁體的最小工作點。
　　

4、分析了電機起動過程中定轉(zhuǎn)子繞組磁動勢對永磁體的退磁作用，發(fā)現(xiàn):定轉(zhuǎn)子繞組的直軸合成基波磁動勢可以準確反映永磁體的退磁狀態(tài)，其與永磁體最小工作點曲線的變化趨勢吻合較好。針對電機起動過程中何時永磁體退磁最嚴重的爭議，進一步分析了電機的轉(zhuǎn)動慣量、負載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)子初始位置對永磁體局部最大退磁點的影響。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn):負載條件及轉(zhuǎn)子初始位置不同時，永磁體的局部最大退磁點可能出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速，但是隨著負載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動慣量的增大，永磁體的局部最大退磁點出現(xiàn)在

5、電機轉(zhuǎn)速接近同步速時的概率增大;并且永磁體的局部最大退磁點對應的電機轉(zhuǎn)速越接近同步速，永磁體的局部最大退磁點低的概率也越大。
　　進一步研究了電機在多種故障工況下的退磁特點，包括三相供電電壓不對稱、失步及超同步運行、突然反轉(zhuǎn)等工況，分析了負載條件等對永磁體退磁的影響，得到了永磁體最大退磁磁場的出現(xiàn)規(guī)律。
　　此外，本文將異步起動永磁同步電動機的動態(tài)數(shù)學模型和磁路計算模型結(jié)合，建立了電機起動過程中永磁體平均工作點的解析計算模型

6、。利用電機的動態(tài)數(shù)學模型計算出電機起動過程中每時刻的定轉(zhuǎn)子電流值，利用該電流值計算出永磁體的退磁磁動勢，然后將該退磁磁動勢導入電機的磁路計算模型計算對應的永磁體平均工作點。通過與有限元仿真結(jié)果作比較，驗證了該解析計算模型的正確性。
　　2.異步起動永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析分析及其削弱措施
　　現(xiàn)有關(guān)于永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的研究主要局限于單邊開槽永磁電機，而異步起動永磁同步電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩缺乏有效的解析分析方法及削弱措施。由于

7、異步起動永磁同步電動機定轉(zhuǎn)子雙邊開槽，定轉(zhuǎn)子相對位置發(fā)生變化時，有效氣隙長度的分布十分復雜，這大大增加了該類電機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析計算難度。為了降低有效氣隙長度分布的解析計算難度，本文將整個轉(zhuǎn)子（包括轉(zhuǎn)子齒槽）的作用等效為氣隙磁動勢分布，這樣有效氣隙長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永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達式。需要指出的是，該解析表達式的目的不在于齒槽轉(zhuǎn)矩的準確計算，而在于建立齒槽轉(zhuǎn)矩與電機參數(shù)之間的明晰關(guān)系

8、。
　　利用上述齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達式，分析了電機極槽數(shù)配合、定子斜槽、不均勻氣隙等對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，發(fā)現(xiàn):通過采用不均勻氣隙、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，進一步研究了異步起動永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱措施。推導了改變定子齒寬、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齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達式，分別得

9、到了能有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的電機參數(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電機性能的影響。計算結(jié)果表明，本文所提出的措施均能有效削弱異步起動永磁同步電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩，并且不會對電機性能產(chǎn)生較大的影響。
　　3.異步起動永磁同步電動機電磁力的解析分析及電磁振動的抑制措施
　　電機的電磁振動是由隨時間變化的電磁力作用于定子鐵心所引起的，目前，尚未有文獻建立異步起動永磁同步電動機電磁力的解析計算模型，這主要是由于該類電機

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

11、力產(chǎn)生的電磁振動噪聲聲功率級頻譜，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算方法，計算了改變轉(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空載電磁力的解析表達式，得到了能有效抑制上述主要電磁力的電機參數(shù)確定方法，并利用有限元法驗證了上述措施的有效性以及對電機性能的影響。計算結(jié)果表明，本文所提出的措施均能有效抑制對電磁振動起主要作用的電磁力，可以有效抑制異步起動永磁同步電動機的空載電磁振動，并且對電機

12、性能產(chǎn)生的影響較小。
　　利用電機電磁力的解析分析模型，進一步研究了轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心、動態(tài)偏心對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，電磁力的主要頻率成分為電源頻率的偶數(shù)倍，而轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心時，電磁力的主要頻率成分比轉(zhuǎn)子不偏心時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，實測了1.5kW樣機的空載振動頻譜，其主要頻率成分與解析分析結(jié)果相符，這進一步驗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永磁同步電動