实心转子异步起动永磁同步电动机的设计与仿真 by len Ai

实心转子异步起动永磁同步电动机的设计与仿真

1 前言实心转子异步起动永磁同步电动机是一种高效、节能电机。它也是由定子、转子、端盖等构成，其定子与普通异步电机相同，而转子采用实心结构，在实心结构的转子上，开一定宽度和数量的槽，永磁钢和隔磁块就镶嵌在槽里面，隔磁块与压紧永磁钢用的槽楔采用黄铜、铝合金或不锈钢材料，在转子端部通过端环让隔磁块、槽楔及端环构成回路，相当于异步

电动机的启动电阻。实心转子异步启动永磁电动机由于不需要装起动笼，具有结构简单，效率高、启动转矩大，牵入转拒大，过载能力强，启动电流小、体积小，重量轻等显著优点，适合煤矿、油田、风机、水泵等需要重载启动的使用场合，有替代普通鼠笼异步电动机与电励磁同步电动机的趋势。

2 实心转子异步起动永磁同步电动机的结构设计实心转子异步起动永磁同步电动机的定子与普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗，转子采用实心转子结构。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，分为切向式、径向式和混合式。切向式转子磁路结构中，永磁体起并联作用，有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密。适用于极数较多且要求气隙磁密高的永磁同步电动机。径向式转子磁路结构中,漏磁系数较切向式结构小。在一对极磁路中有两个永磁体提供磁动势，仅有一个永磁体截面提供每极磁通，气隙磁密相对较小。混合式转子磁路结构是在径向和切向都放置永磁体，它可在一定的转子直径条件下提供更高的气隙磁密，或者可以在气隙磁密相同的情况下缩小转子体积。在切向永磁体和径向永磁体的尺寸、相互位置配合合理的情况下，漏磁系数可比纯切向和径向结构大大减少，即在额定输出功率和转子尺寸相同的情况下，减少永磁体用量。

3 电磁设计实心转子永磁同步电动机的设计采用场路结合的设计方法。参照实心转子异步电动机的计算方法，基于等效磁路法编制实心转子异步启动永磁同步电动机计算程序。通过计算程序，初步计算电磁方案。然后通过有限元方法，分析电机的空载、额定负载、起动特性。 3.1 等效磁路法等效磁路法法把永磁电机中不均与的磁场分布在引入修正系数的前提下分成几段磁路，每段磁路中磁通分布均匀，然后分别计算各段磁路的磁势，各段磁势之和就是产成主磁场需要的总的励磁磁势，而总的励磁磁势，由永磁体来提供。

4极125kW（380/660V）异步起动永磁同步电动机参数表额定功率kW

125

额定电压

380/660(Δ/Y)

相数

极数

转速 rpm

1500

定子外径mm

445

定子内经mm

300

铁芯长度mm

300

气隙长度

2.75

转子内径mm

145

槽数

并联支路数

绕组节距

每槽导体数

永磁体剩磁 T

1.3

矫顽力 kA/m

985

永磁体工作温度

永磁体厚度x宽度 mm

27x68

每极隔磁槽数

隔磁宽度 mm

2.5

隔磁槽深度 mm

4极125kW（380/660V）异步起动永磁同步电动机参数表定子磁密 T

1.601

定子轭磁密

1.464

转子轭磁密 T

0.64

槽满率 %

气隙磁密 T

0.7512

总损耗 kW

4.81

定子电阻 Ω

1.61795

定子漏抗 Ω

0.25279

直轴电枢反应电抗 3.24556 Xad

交轴电枢反应电抗 Xaq

1.81564

失步转矩倍数（最 2.74 大转矩倍数）

起动转矩倍数

3.22

牵入转矩倍数

1.76

起动电流倍数

5.83

额定效率 %

96.28

额定功率因数

0.993

空载反电势 V

383

3.2 有限元建模与分析 3.2.1 实心转子异步起动永磁电机的电磁场问题鉴于实心转子异步起动永磁同步电动机多媒质结构的特点，目前主要集中于两种计算方法：等效磁网络法和有限元法。等效磁网络法是根据电机的几何结构和预测的磁通走向，把磁场区域划分为若干串联或并联的支路，每条支路由磁导或磁势源等单元组成，单元之间通过节点相联，构成磁网络。该方法的优点是既有场的分析，又有路的计算，所需计算机内存容量及计算时间少。但是，在建立磁网络时，电机结构要做一定的简化，而且磁网络模型是建立在磁场预测的基础上的，难免带来一定误差，尤其对永磁体结构复杂或分数槽绕组电机等误差更大。有限元法的最大特点之一是在媒质的分界面上的衔接条件在变分问题中被自然满足。它不仅适用于复杂的几何形状和边界条件，而且能成功地用于多种媒质和非线性、各向异性媒质的问题，这是其他数值计算方法最难解决的问题。

3.2.2 场路结合仿真建模方法为了校核设计的准确性以及改进特性，有必要采用有限元的方法对永磁电机的电磁场进行分析。本文采用Ansoft中的Maxwell 2D对异步起动永磁电机进行有限元分析。采用Maxwell 2D 进行电机二维有限元建模时，粗几何模型可由 Rmxpt直接生成，然后在Maxwell 2D绘图环境下进行精确调整。几何模型生成后，再根据材料属性以及绕组连接方式建立物理模型，确定边界条

件，进行网格剖分。

3.2.3 仿真模型与仿真结果

3.2.4 仿真后处理结果定子磁密 T

1.572

定子轭磁密

1.42

转子轭磁密 T

0.62

槽满率 %

气隙磁密 T

0.743

总损耗 kW

3.28

定子电阻 Ω

1.6342

定子漏抗 Ω

0.39261

直轴电枢反应电抗 3.4211 Xad

交轴电枢反应电抗 Xaq

2.4351

失步转矩倍数（最 2.52 大转矩倍数）

起动转矩倍数

3.43

牵入转矩倍数

1.65

起动电流倍数

6.45

额定效率 %

97.38

额定功率因数

0.991

空载反电势 V

378.4

4 仿真结果后处理结果分析 4.1 饱和参数的变化规律永磁电机电枢反应是电机结构，几何尺寸及材料特性的函数。当磁介质是线性且各向同性时，电枢反应是一个与电流无关的常数。但当磁介质呈非线性时，磁导率是磁感应强度B的函数，而B 又取决于每一负载运行下电枢电流及永磁体的磁化强度。总之，电枢反应Xad和Xaq是随电机的运行状况而变化的参数。当负载电流较小时，对永磁体磁场的去磁效应小，磁路饱和，磁阻大，所以Xad较小。随着负载电流的增加，去磁效应愈来愈强，磁路的饱和程度将度，磁阻减小，相应的Xad增大。当负载电流到达一定值后，磁路工作在线性段上，磁导率基本不变，Xad趋于稳定。交轴磁路虽受永磁体磁场和d轴磁场的影响，但主要取决于q轴电流。当负载电流增加时，交轴磁路逐渐饱和，磁阻增大，相应地交轴反应电抗Xaq 随之减小。

4 仿真结果后处理结果分析 4.2 磁性槽楔对气隙磁密的影响

定子槽楔的材料特性对气隙磁密分布的影响很大，从而也影响到各参数的计算值。当永磁电机的定子槽楔是非磁性材料时，由于齿槽的存在，气隙磁密的分布不均匀，高磁谐波分量很大，若采用磁性槽楔，气隙磁密分布大为改观，高磁谐波分量明显减小。磁性槽楔改善了气隙波形，降低了铁耗及绕组温升，对开口槽电机很有利。磁性槽楔的存在使电机的同步电抗略有变化，Xad减小，Xaq增加，功率因数提高，磁钢工作点上升，电机反电势E0有所增加。但Xad/Xaq 比值的增大及E0的增大，使得电机的起动转矩有所下降，因此在电机设计时，参数调整要平衡电机性能。

4 仿真结果后处理结果分析 4.3 电机参数对起动过程的影响空载反电势E0愈大，电机转速曲线下凹愈厉害，这是因为永磁体矫顽力愈大，制动转矩愈大，对起动不利。电枢绕组的电阻愈大，制动转矩愈大，起动困难。由于实心转子中的涡流的集肤效应，使得电磁场在进入转子表面很短

的距离就很快衰减，因此，转子开槽深度大于3～5倍透入深度后，其变化对电机起动几乎没什么影响。增加转子电阻，可以提高牵入能力。因为转子电阻愈大，表明涡流的集肤效应愈厉害，涡流密度愈高，提供的拖动转矩愈大，对起动有利。

5 总结实心转子异步起动永磁同步电动机具有效率高、功率因数高、起动转矩

大、失步转矩大、牵入转矩大、起动电流小等诸多优点，能代替普通鼠笼异步电动机和电励磁同步电动机，用于风机、水泵、化纤纺织，油田等对起动性能要求较高的场合，达到高效节能的效果。本文在基于实心转子异步电动机设计的基础上，编制了实心转子异步起动永磁同步电动机的计算程序，通过等效磁路法，得到永磁电机的初步方案，然后借助于Ansoft的Rmxpt及 Maxwell 2D，建立精确仿真模型，进行有限元分析计算，得到场的计算结果与等效磁路法的计算结果比较接近，也与样机试验数据比较接近。从而证明了本研究理论和设计方法是合理可靠的，通过对125kW实心转子异步起动永磁同步电动机的电磁计算，找到了该类电机有限元仿真的方法，为今后更大容量永磁同步电动机的设计提供基础，节省了开发成本，提高了开发速度和可靠性，对异步起动永磁同步电动机的设计与优化有着重要的指导意义。 © 2015 ANSYS, Inc.

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