紡織機(jī)用高效電機(jī)的研究

唐 雷

（深圳航天微電機(jī)有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引言

紡織行業(yè)普遍使用變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)，由于感應(yīng)電機(jī)原理決定：其啟動(dòng)、低速時(shí)高效低下，能耗非常高。本項(xiàng)研究的是針對(duì)紡織行業(yè)應(yīng)用需求進(jìn)行，開發(fā)一種成本較低的節(jié)能型紡織機(jī)用調(diào)速電機(jī)。

1 現(xiàn)行電機(jī)概況及設(shè)計(jì)目標(biāo)。

現(xiàn)需要我們?cè)O(shè)計(jì)一臺(tái)無刷電機(jī)，用于取代現(xiàn)行的感應(yīng)電機(jī)，且要求效率提升5%，低速運(yùn)行平穩(wěn)。

感應(yīng)電機(jī)Y100L1-4主要數(shù)據(jù)：

額定轉(zhuǎn)速1450RPM

額定功率2.2kW

電機(jī)本體效率≥82%

無刷電機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)：

額定轉(zhuǎn)速1450RPM

額定功率2.2kW

電機(jī)本體效率≥86.1%（83%x1.05）

2 無刷電機(jī)基本原理、公式

三相無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其電壓平衡方程為：

電機(jī)轉(zhuǎn)速方程為：

U為電源電壓；△U為驅(qū)動(dòng)電路壓降；Iav電樞電流；rav電樞電阻KE電機(jī)電勢(shì)常數(shù)。

轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

電機(jī)的主要尺寸與工作點(diǎn)的線負(fù)荷、氣隙磁密有關(guān)。其公式為：

Di1電子內(nèi)徑，l計(jì)算長度，nN額定轉(zhuǎn)速，P′計(jì)算功率，αp極弧系數(shù)，KΦ氣隙磁場波形系數(shù)，Kw基波繞組系數(shù)，B0氣息磁密，A電負(fù)荷。

主要尺寸與工作點(diǎn)的線負(fù)荷、氣隙磁密相關(guān)。其中線負(fù)荷又由負(fù)載方式和散熱條件來確定，如果為短時(shí)運(yùn)行或加強(qiáng)的散熱條件，可取大值，否則將要適當(dāng)?shù)娜⌒　庀洞琶軇t根據(jù)所選永磁體材料，磁鋼的布局結(jié)構(gòu)來取值，如果是釹鐵硼，一般取0.5～0.75b0。

3 主要設(shè)計(jì)方案

本研究以現(xiàn)行感應(yīng)電機(jī)Y100L1-4作為參照。其主要數(shù)據(jù)為：效率82.0%，定子外徑155.0mm，定子長度105.0mm，銅線重2.5kg，硅鋼片重量16.4kg。

本研究設(shè)計(jì)無刷電機(jī)對(duì)比了典型的圓柱方案、盤式方案；并對(duì)主要影響電機(jī)性能、成本、尺寸的轉(zhuǎn)子永磁材料，分別對(duì)比了稀土釹鐵硼磁體永磁體以及鐵氧體磁體。交叉形成四個(gè)對(duì)比方案，四種方案均做了電磁優(yōu)化。

本研究設(shè)計(jì)方案的目的是為了驗(yàn)證各種典型材料、設(shè)計(jì)方案，對(duì)效率提升的效果、以及這些設(shè)計(jì)方案對(duì)材料消耗、成本影響的情況。如下圖，由上至下分別是方案A、B、C、D。

圖1

方案A：采用燒結(jié)鐵氧體磁鐵，1型磁極（表貼）。圓柱結(jié)構(gòu)，外形尺寸同三相異步電機(jī)Y100L1-4。由于轉(zhuǎn)子較小，工藝原因造成磁極不能太多，更不沒法采用內(nèi)嵌磁極等其他提高功率密度的方案。計(jì)算結(jié)果：效率83.7%，定子外徑155.0mm，定子長度105.0mm，銅線重1.6kg，硅鋼片重量16.4kg。

方案B：采用燒結(jié)釹鐵硼磁鐵，1型磁極（多極磁環(huán)）。圓柱結(jié)構(gòu)，外形尺寸同三相異步電機(jī)Y100L1-4（長度略短）。計(jì)算結(jié)果：效率83.4%，定子外徑155.0mm，定子長度58.0mm，銅線重0.8kg，硅鋼片重量7.8kg。

方案C：采用燒結(jié)釹鐵硼磁鐵，1型磁極（表貼）。其余結(jié)構(gòu)尺寸基本同下面方案D。計(jì)算結(jié)果：效率89%，定子外徑237mm，定子長度22mm，銅線重0.6kg，硅鋼片重量6.3kg。

方案D：考慮成本低廉，永磁體優(yōu)選燒結(jié)鐵氧體，4型磁極。同時(shí)，為了低速平穩(wěn)，選用了多磁極的方案。由于磁極較多，轉(zhuǎn)子直徑較大，電機(jī)設(shè)計(jì)成扁平盤式結(jié)構(gòu)。效率88%，定子外徑237mm，定子長度22mm，銅線重0.9kg，硅鋼片重量6.3kg。

4 試驗(yàn)、驗(yàn)證

本研究按方案A、方案D制作驗(yàn)證樣機(jī)：

圖2

經(jīng)過測量、試驗(yàn)，得出結(jié)論是方案D具有最優(yōu)的成本、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。與參照感應(yīng)電機(jī)Y100L1-4相比：額定效率達(dá)到87.1%，提升6.2%。 用銅量 0.96kg，節(jié)約 62%。 用鐵量（硅鋼片重量）6.45kg，節(jié)約61%。

5 結(jié)論

無刷電機(jī)取代千瓦級(jí)感應(yīng)電機(jī)+變頻器系統(tǒng)，采用無刷電機(jī)，若稀土磁體，雖然磁體成本很高,但是氣隙磁密提升后（約0.8t），功率密度較高，總體成本還是下降。但使用鐵氧體磁體時(shí)，如果采用表貼磁體氣隙磁密較低（約0.4t），功率密度不高，總體成本反而上升；如果采用嵌入式磁體，因?yàn)榇蠓嵘藲庀洞琶埽s0.8t），總成本比稀土磁鐵的電機(jī)還低20～30%。

6 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)的無刷電機(jī)，顯著提高了效率，同時(shí)對(duì)銅鐵等材料的用量還能做到大幅節(jié)省。推廣使用將有較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

［1］郭慶鼎,趙希梅.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用[M].中國電力出版社,2008.

［2］The Mathworks.SIMULINK Model-Based and System-Based Design,Writing S-Functions[M].Version 5 COPYRIGHT 1998-2002 by The MathWorks,Inc.