上官璇峰,蔣思遠,李正修

(河南理工大學,焦作454000)

0 引 言

當今世界面臨巨大的能源問題,據(jù)統(tǒng)計,中小型電動機系統(tǒng)的用電量約占工業(yè)系統(tǒng)總用電量的75%、占全國總用電量的50%以上,高效電動機的研究和應用一直受到國家財政的大力扶持[1]。在國外,由于稀土永磁材料價格高,針對高效電動機的開發(fā)主要圍繞感應電動機進行,采用高性能材料和提高加工工藝。而國內(nèi)目前廣泛使用的感應電動機功率因數(shù)和效率相對較低,由于我國工藝水平的差距和稀土永磁資源豐富,永磁電動機以其高的功率因數(shù)和效率成為研發(fā)和推廣應用的一個重要方向。

自起動永磁同步電動機(以下簡稱LSPMSM)的研究較為成熟,該電動機不需要采取專門的起動措施,使用條件要求低,實用性更強。但在穩(wěn)態(tài)運行時存在轉(zhuǎn)矩波動,引起電動機的振動、噪聲甚至是運行故障,直接影響電動機的應用前景[2]。另一種新型的高效電動機即永磁感應電動機(以下簡稱PMIM),由于結(jié)合感應電動機良好的起動性能和永磁電動機高效率、高功率因數(shù)和寬的經(jīng)濟運行范圍等優(yōu)點,同時特有的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),使其應用范圍更廣,可以在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)及混合動力方面得以應用,引起了國內(nèi)外許多學者的研究興趣。

就目前而言,國內(nèi)外關于PMIM的參考文獻還較少。國外的最新研究主要由法國亞眠大學的A.M.Gazdac,A.Mpanda-Mabwe,意大利拉奎拉大學的Lino Di Leonardo等學者合作進行,指出了PMIM的幾種不同結(jié)構(gòu),分析了不同材料對電動機性能的影響及由于銅耗和鐵耗引起的熱效應,分析了PMIM的等效電路并提出了控制策略[3-5]。我國學者刁統(tǒng)山,王秀和提出了PMIM的直接功率控制策略并進行了仿真,指出PMIM的控制與異步電動機控制相似,與永磁體轉(zhuǎn)子位置無關,且具有較高的調(diào)速范圍[6]。

本文在分析PMIM的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎上,給出電動機的數(shù)學模型方程,并對相關參數(shù)進行說明,從理論上分析了PMIM高功率因數(shù)及負載能力強的原因。然后利用有限元方法對PMIM和LSPMSM分別進行了仿真,對兩種電動機的起動能力和運行性能進行比對分析,闡明各自的優(yōu)缺點。

1 PM IM結(jié)構(gòu)和原理

PMIM的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由定子、鼠籠轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子3部分組成,有內(nèi)、外兩個氣隙。定子電流所產(chǎn)生磁場與永磁轉(zhuǎn)子磁場之間作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使得永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn),這兩種磁場形成合成勵磁磁場。合成勵磁磁場與鼠籠轉(zhuǎn)子之間有相對運動,在鼠籠繞組中感應交流電流。鼠籠繞組中電流也產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)的磁場和合成勵磁磁場共同產(chǎn)生氣隙磁場,并作用產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩,使鼠籠轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。

圖1 PMIM結(jié)構(gòu)圖

2 PMIM數(shù)學模型

由上節(jié)分析可知,PMIM的氣隙磁場由3部分組成,即定子磁場、鼠籠轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場和永磁體產(chǎn)生的磁場,其中,定子和永磁體磁場以同步角速度ω0旋轉(zhuǎn),鼠籠轉(zhuǎn)子以角速度ωr旋轉(zhuǎn)。永磁電動機數(shù)學模型的建立一般采用dq0坐標系統(tǒng),以克服abc坐標系統(tǒng)中電壓方程是帶有周期性變系數(shù)的微分方程給方程求解帶來的困難。PMIM由于加入了同步旋轉(zhuǎn)的內(nèi)轉(zhuǎn)子,其建模過程跟永磁電動機相似[6-7]。建模過程不在贅述,電壓方程如下:

式中:ω0為電動機永磁轉(zhuǎn)子電角速度;ωr為電動機鼠籠轉(zhuǎn)子電角速度;R1為定子繞組相電阻;R2d,R2q分別為鼠籠轉(zhuǎn)子直、交軸等效電阻;L1d,L1q分別為定子直、交軸同步電感;L2d,L2q分別為鼠籠轉(zhuǎn)子直、交軸繞組的自感;Lad,Laq分別為定轉(zhuǎn)子之間直、交軸互感;ψ1d,ψ1q分別為定子直、交軸繞組的磁鏈;ψ2d,ψ2q分別為鼠籠轉(zhuǎn)子直、交軸繞組的磁鏈;ψ0為永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

由磁鏈方程可知,PMIM增加了內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體勵磁作用產(chǎn)生的磁通ψ0,那么所需定子勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁通就會減小,即勵磁電流減小,所以,電動機的功率因數(shù)提高,也有利于提高電動機的效率。

PMIM的轉(zhuǎn)矩分為鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩之和為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。電動機電磁轉(zhuǎn)矩Tem、鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Tor和永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Tir表達式如下:

式中:Ωor為鼠籠轉(zhuǎn)子機械角速度;Ωir為永磁轉(zhuǎn)子機械角速度;TL為負載轉(zhuǎn)矩;Jor為鼠籠轉(zhuǎn)子和所帶負載的總轉(zhuǎn)動慣量;Jir為永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;p為極對數(shù)。

由電動機的轉(zhuǎn)矩方程并結(jié)合其磁鏈方程可以看出,PMIM的電磁轉(zhuǎn)矩由于其定子直軸繞組磁鏈ψ1d增加了永磁體產(chǎn)生的磁鏈ψ0,其電磁轉(zhuǎn)矩Tem將會明顯增大。鼠籠轉(zhuǎn)子直接與負載相連,用來平衡外加的負載轉(zhuǎn)矩,由電動機的轉(zhuǎn)矩方程并結(jié)合其磁鏈方程可以看出,鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Tor也會增大,這也就意味著電動機的負載能力將會明顯增強。在下文的有限元仿真中驗證了該理論的正確性。永磁轉(zhuǎn)子的作用為助磁,運行時自由旋轉(zhuǎn),不接負載,其合成電磁轉(zhuǎn)矩Tir主要用于克服轉(zhuǎn)軸上的摩擦力,若忽略轉(zhuǎn)子軸上的摩擦力,且當其轉(zhuǎn)速恒定不變時,其電磁轉(zhuǎn)矩為0,故永磁轉(zhuǎn)子的機械強度要求并不高。

3 特性對比分析

本文研究的PMIM樣機定子采用型號為Y160M-4,11 kW普通感應電動機的定子結(jié)構(gòu),其鼠籠轉(zhuǎn)子采用雙鼠籠的結(jié)構(gòu),籠間磁軛作為磁路,可改善電動機的起動和運行性能。永磁轉(zhuǎn)子的作用為助磁,由鐵心和面貼式永磁極組成。有內(nèi)、外兩層氣隙。電動機模型參數(shù)如表1所示,電動機的截面如圖2所示。

表1 PMIM的仿真模型參數(shù)

圖2 PMIM仿真模型截面圖

為了能夠把LSPMSM與PMIM做一個合適的比較,LSPMSM仿真模型采用了與PMIM模型相同的定子鐵心。電動機模型參數(shù)如表2所示,電動機的截面如圖3所示。

表2 LSPMSM仿真模型參數(shù)

圖3 LSPMSM仿真模型截面圖

3.1 電磁場分析

本節(jié)分別對兩種電動機模型進行了有限元仿真分析,電動機空載穩(wěn)定運行時,PMIM和LSPMSM的氣隙磁通密度徑向分布(其中PMIM為外氣隙)如圖4所示。由圖4(a)可以看出,PMIM外氣隙的磁通密度波形正弦性較好。永磁同步電動機的理想運行是正弦變化的定子電流與正弦分布的氣隙磁場相互作用產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩[8],而對于LSPMSM,圖4(b)表明,其空載氣隙磁場接近矩形波。將兩者氣隙波形分別進行傅里葉分解后,其各次諧波幅值如圖5所示?？梢钥闯鯨SPMSM氣隙磁場基波幅值比PMIM大,這是由于PMIM為雙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu),存在兩層氣隙,增大了勵磁回路的磁阻,但是LSPMSM氣隙磁場含諧波成分較多,對電動機產(chǎn)生不利影響。具體分析將在下文中詳細說明。

圖4 氣隙磁通密度徑向分布

圖5 LSPMSM和PMIM氣隙磁場各次諧波幅值的比較

3.2 電動機起動性能分析

本節(jié)首先對PMIM永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量對電動機起動性能的影響進行了仿真分析。圖6表明,在永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大時,電動機在額定負載下不能自起動,減小轉(zhuǎn)動慣量后,在額定負載下能較快自起動?？梢奝MIM起動能力對永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很敏感,所以,在不影響機械強度和磁路性能的情況下,應盡量減小永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

圖6 PMIM永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量對起動過程的影響

圖7 顯示了PMIM和LSPMSM空載起動過程的速度曲線。由速度曲線可以看出,LSPMSM空載起動到達穩(wěn)定速度的時間較快,但其穩(wěn)定后速度曲線不如PMIM平滑。圖8顯示了PMIM和LSPMSM額定負載起動時的速度曲線及穩(wěn)定運行時的速度波動對比?？梢钥闯?LSPMSM在400 ms時達到穩(wěn)定速度,而PMIM用時約800 ms,但LSPMSM速度波動較PMIM大。

圖7 空載起動速度曲線對比

圖8 額定負載起動速度曲線對比

圖9 為電動機空載起動時電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況,可以看出,電動機穩(wěn)定運行后,LSPMSM存在明顯的轉(zhuǎn)矩波動,這是由于LSPMSM氣隙磁密正弦性較差,含有較多諧波成分,諧波磁場在定子繞組中產(chǎn)生諧波電動勢和諧波電流,另外還有齒槽轉(zhuǎn)矩的原因,使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩波動較大。這種波動會引起電動機的振動、噪聲甚至是運行故障,對電動機是十分不利的,而PMIM的轉(zhuǎn)矩波動明顯要小。

圖9 空載起動電磁轉(zhuǎn)矩-時間曲線對比

3.3 發(fā)電動機類負載下的起動能力對比

在本節(jié)中,把PMIM和LSPMSM在發(fā)電動機類型負載下的起動能力做了對比分析。發(fā)電動機類負載隨轉(zhuǎn)速從0到1 500 r/min,轉(zhuǎn)矩按線性規(guī)律從0增長至額定負載71.94 N·m,總負載轉(zhuǎn)動慣量為轉(zhuǎn)子慣量(其中PMIM為鼠籠轉(zhuǎn)子)的5倍。從圖10中看出,LSPMSM在該負載和5倍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量下牽入同步能力較差,直到1 700 ms轉(zhuǎn)速才逐漸趨于穩(wěn)定,而PMIM能在800 ms左右較快起動,起動能力較好。

圖10 發(fā)電動機類負載下電動機起動速度對比曲線

當發(fā)電動機類負載轉(zhuǎn)速從0到1 500 r/min過程,負載轉(zhuǎn)矩按線性從0增長至180 N·m,總負載轉(zhuǎn)動慣量為轉(zhuǎn)子慣量的5倍。起動速度曲線如圖11所示,可以看出,LSPMSM雖然起動轉(zhuǎn)矩較大,剛起動時加速度較大,但是由于負載轉(zhuǎn)矩隨速度大幅增大,使得LSPMSM不能到達同步速,這也正是對LSPMSM設計時的一大難題,即起動轉(zhuǎn)矩和同步能力之間的沖突,需要折衷選擇。而PMIM在隨速度遞增的負載轉(zhuǎn)矩下的起動能力良好,且在這樣大的負載轉(zhuǎn)矩下其轉(zhuǎn)差率只有0.028,機械特性硬。結(jié)合電動機的轉(zhuǎn)矩方程及其磁鏈方程可知,鼠籠轉(zhuǎn)子直軸繞組磁鏈ψ2d增加了永磁體產(chǎn)生的磁鏈ψ0,使得鼠籠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩Tor增大,這也就意味著電動機的負載能力將會明顯增強。另外PMIM在這種情況下效率為0.806,而LSPMSM無法遷入同步,使其工作在異步狀態(tài),轉(zhuǎn)速波動大,效率僅為0.499 6,故PMIM適用于風機水泵等負載隨轉(zhuǎn)速快速增大且需要電動機長期運行的場合。

圖11 發(fā)電動機類負載重載下電動機起動速度對比曲線

3.4 損耗分析

本節(jié)主要對PMIM和LSPMSM定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗進行分析。表3為PMIM和LSPMSM分別在空載和額定負載下的鐵心損耗。

由表3可以看出,LSPMSM在穩(wěn)定運行后,其轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)仍有鐵耗,這一方面由氣隙磁場的諧波成分產(chǎn)生。另一方面由于諧波磁場在定子繞組中產(chǎn)生諧波電動勢和諧波電流,使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩波動進而造成速度波動,進一步增加了鐵心損耗。PMIM雖然是異步速工作,但由于其機械特性硬,轉(zhuǎn)子鐵耗并不大。

表3 PMIM和LSPMSM空載和額定負載下的鐵心損耗p/W

3.5 仿真結(jié)果的計算分析

由圖12可以看出,PMIM和LSPMSM兩種電動機都有較高的效率,且LSPMSM的效率更高,其主要原因在于定子繞組的電阻小,定子銅耗減小。另外,雖然LSPMSM氣隙磁場諧波成分較高及轉(zhuǎn)速波動引起鼠籠繞組中存在銅耗,但相較于以異步速工作的PMIM,其轉(zhuǎn)子銅耗仍然較小。此外,兩種電動機均在較寬的負載轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)保持較高的效率。

圖12 效率對比曲線

由圖13可以看出,PMIM和LSPMSM由于均存在永磁體勵磁,功率因數(shù)很高,且在20%額定負載轉(zhuǎn)矩后基本到達1,大幅改善了異步電動機在輕載時功率因數(shù)低的弊端。由于PMIM為雙轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu),存在兩層氣隙,增大了勵磁回路的磁阻,導致其效率和功率因數(shù)均不如LSPMSM。

圖13 功率因數(shù)對比曲線

4 結(jié) 語

本文對兩種高效節(jié)能電動機PMIM和LSPMSM進行了對比研究,對其起動性能及運行特性進行分析。有限元仿真表明:LSPMSM在恒轉(zhuǎn)矩負載下起動能力優(yōu)于PMIM,而PMIM在負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速快速增加負載下起動能力較好;LSPMSM氣隙磁場諧波成分較大,導致其存在明顯的轉(zhuǎn)矩波動,穩(wěn)定運行時存在速度波動,而PMIM的轉(zhuǎn)矩波動小,使得速度更為平滑;兩種電動機均有較寬的速度范圍內(nèi)具有較高的運行效率和功率因數(shù),高效節(jié)能。

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