关于高压变频调速永磁三相同步电动机的性能分析_徐晓慧.pdf

年第期第卷（总第期）（）要指征，当氷磁电机被拖动起来在同步转速下作为发电机空载运行，此时出线端的电压就是空载反 电势。在中生成的模型中，将？中、和中改为，且值为，经运算仿真分析后得出结果，由图可知本台电机空载反电势曲线合理，接近正弦波，有利于变频器控制，本台永磁三相同步电动 机的线空载反电势是，在合理范围 内。引吕根据年碳排放差距报告显示，未来十年全球毎年需减排。习近平在年月 日出席世界经济论坛“达沃斯议程”对话会上也发表特别 致辞“中国将继续促进可持续发展。加强生态文明建设，角保年前二氧化碳排放达到峰值、年前 实现碳中和的目标。只要是对全人类有益的事情，中国就义不容辞地做，并且做好，用实际行动践行多边主 义。”研究表明，国内工业用电占全国用电约左右，其中电动机是最耗能的驱动端。因此，为 了实现碳中和的目标，以高效率、髙节能为主要特征的永磁三相电动机就成了主要研究方向。性能分析现对 永磁三相同步电动机进行有限元分析，利用分析软件。空载状态分析空载反电势是永磁三相同步电动机的一个重图空载反电势波形经对线反 电势进行傅里叶分解，由图可知，含次谐波，占比为，不足，其余谐波忽略不计。关于高压变频调速永磁三相同步电动机的性能分析徐 晓慧（国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯）摘要以一台极的 同步转速 额定电压为 的高压变频调速永磁三相同步电动机为例，结合有限元分析，了解电机性能，再结合三维软件，分析本案例永磁电动机的机械性能。关键词永磁三相同步电动机；电机性能；：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，），？，；（）年第期第卷（总第期）图傅里叶分解并通过观察生成的磁密云图可以看出，详细如图所示，磁密分布合理，没有过饱和的点，整体磁密取值较低，定子齿磁密约为，定子辆磁密约为，最大值在靠近槽楔处，为，气隙磁密为，且通过计算，永磁体的漏磁系数是？，定子电密是，热负荷，均在合理范围 内 图磁密云图额定状态分析效率作为电机的五大性能指标之一，在电机设计过程中，效率的大小至关重要。为了减小铁耗，主要是尚频涙流损耗，冲片材质选用厚的硅钢板，在中生成的模型中，对进行设置，经运算仿真分析图可知，电动机铁耗是，铜耗，涡流损耗，同时假设机械损耗，杂耗，效率高达。通过仿真出 的 电流如图可知，经过公式计算），其中：岫表示功率因数，表示额定功率，表示额定电压，表示电流，表示效率，最终可得出功率因为可达，由此可见电动机的效率和功率因数都非常高。在负载运行下，还可以看出电机的转矩脉动，转矩脉动就是指电机在运行过程中，输出 的转矩随时间在某一数值上来回波动，这种波动情况京尤称之为转矩脉动。转矩脉动的大小影响着电机的振动，过大的转矩脉动在电机正常运行时，振动会很大，影响着电机的稳定性，同时也会减低永磁电机的效率，与我们要提高电机效率的初衷相违背。经仿真结果可以看出转矩脉动是，按经验可知，转矩脉动不大于就不会影响电机稳定性，所以本案例的转矩脉动是合格的 图损耗分析曲线：、（）（）（）图电流曲线失步转矩分析永磁三相同步电动机的失步转矩类似于三相异步电动机的最大转矩，是指正常运行的同步电动机能让其转速不能维持同步转速的最小转矩，换句话说，失步转矩就是永磁三相同步电动机的最大负载能力。在模型中，直接对 直接进行乘以时间处理，经运算仿真分析后，如图可知，观察其负载转矩曲线，达到最低点时，该点数值为失步转矩，可知失步转矩是额定转矩的倍，本台电机的过载能力是倍。图负载转矩曲线齿槽转矩齿槽转矩是高性能永磁电机特有的 问题，它会影响电机的振动和噪声，齿槽转矩是永磁电机（）：年第期第卷（总第期）（）绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。在场中，将下全部删除，并将下转速设为，经仿真分析后，从图可知齿槽转矩占额定转矩的，占比不足，可忽略不计，可以说本案例的齿槽转矩不会影响电机的性能。图二阶固有频率图齿槽转矩波形结构分析固有频率固有频率也称为自然频率，物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或者余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而筋与 系统的固有特性有关，如质量、形状、材质等，称为固有频率，也就是说固有频率就是某种物质特有的固定震动频率。现在利用软件对机座进行固有频率分 析 计算，由图可知一阶固有频率为，由图可知二阶是，本台永磁电机经计算，；？，其中表示极对数，表示转速，由此可知，电机的额定频率为？，经对比，机座的 固有频率可以满足该电机要求，电机在运行中机座不会发生共振。同时对轴进行固有频率分析，由图可知一阶振型时，对应的固有频率是，由图可知二阶振型对应的 固有频率是，经计算可知，电机在运行中轴不会发生共振。图阶固有频率图阶振型临界转速及挠度使转子发生强烈振动的转速，就是临界转速。经计算，本台永磁电动机的临界转速为，同时可得挠 度，满足电机额定转速，挠度小于 的要求。永磁体永磁体是一种经过外部充磁后能独立持续提供磁力的特殊材料，现在应用最为广泛的材质为钕铁硼。永磁体性能会随着温度的变化而变化，但会在过高的温度时发生不可逆退磁，从而导致电机性能的不稳定。本案例永磁电动机功率密度大，内部温度较髙，为避免发生不可挽回 的损失，故而本案例选用的是钕铁砸这种耐高温的永磁体。永磁体是瓦片式形状，径向充磁。经软件分析计算，高速旋转应力最大是，而永磁体有很强的抗压能力，可达，因此永磁的强度符合要求。转子护套由于转速高，离心力大，转子永磁体需要进行有效的保护，保证在最高运行转速下，永磁体自身不承受拉应力。这时我们要在永磁体外面增加一个护套起到保护作用，永磁体与护套之间选择过盈配合，护套一般较薄，以免影响电机的运行性能，所以需要密度小、力学性能高的材料。目前较常用 的材料有碳纤维、凯夫拉、玻璃纤维、镍基合金等，从性价比上看，选用碳纤维保护套最为经济实惠且保护能力强。冷却方式的选择经电磁计算可知，本案例永磁电动机的热负 年第期（）第卷（总第期）荷，从结构可知，轴是实心的，永磁体直接表贴在轴上，转子上无径向通风道无轴向通风道。在此基础上，并考虑一定裕量的前提下，利用集成在的插件进行温度场分析，当进风口风量满足，冷却气体人口温度是，压降是时，冷却气体出口温度是，定子绕组温度平均值是，绕组最高点温度丈，转子最高温度是，由此可见满足电机冷却要求。生产制造过程本案例永磁同步电动机对性能影响最大因素就是同轴度的形位公差。转速越高，同轴度要求越严格，否则会产生较大的、倍频激励，造成电机振动，同时也容易损坏轴承。因此在轴、转子、轴瓦、机座的加工过程应尽量控制同轴度及自身的圆柱度，装配过程中，定转子应尽量对齐，以减小电磁激励。（上接页）结语本文简要概述了永磁体的退磁机理，陈述了在实际仿真分析中判断电机是否具有退磁风险的依据，并对一台存在永磁体局部退磁风险置的极槽内置式永磁同步电机磁场进行了分析。提出在存在退磁风险的区域增加辅助槽以增大该区域等效气隙长度，从而消除永磁体局部退磁风险的方法。参考仿真结果中的磁密分布云图，在磁钢退磁区域附近增加了两个辅助槽，制定了与辅助槽尺寸相关的变量，分析了变量在一定变化区间内对电机转子磁场、磁钢局部退磁面积以及电机输出转矩的影响，根据分析结果选取了合适的辅助槽尺寸。对比优化前后不改变电机输出能力及增加制造成本的情况下，通过增加的磁场辅助槽达到了消除永磁体退磁风险的目的，为电机永磁体局部退磁的优化设计提供了参考方向。参考文献唐任远现代 永磁电机：理论与设计北京：机械工业出版社，宋腾飞，刘慧娟，张振洋，等车用永磁同步电机拓扑结构优化与 实验 研究电机与控制 学报，结语经试验结果可知，电机性能满足设计初期，温升低，噪音 小，且运行稳定，十分优良。全文以变频调速永磁三相同步电动机为例，对空载状态、额定状态、失步转矩、齿槽转矩以及固有频率、临界转速、发热冷却等进行对比分析，并结合试验结果，更好的了解变频调速永磁三相同步电动机的特性，为以后系列化设计及生产永磁电机提供了 宝贵经验。参考文献唐任远现代永磁电机理论与设计北京：机械工业出版社，王秀和永磁电机北京：中国电力出版社，作者简介：徐晓慧女 年生；毕业 于哈尔滨理工大学电气自动化专业，现从事电机设计工作收稿曰期（）：，？，师 蔚高 密度永磁电机永磁体防退磁技术的研究上海大学，（）：王伟男电动汽车用 多层磁障式少稀土永磁同步电机关键技术研究哈尔滨工业大学，（）：周启风，张兴志，范杰基于有限元的压缩机用永磁同步电机退磁分析微特电机，（）：王宗亮，蔡巍内置式永磁同步电机电磁退磁性能研究微电机，（）：王秀和永磁电机北京：中国 电力出版社，作者简介：于冰男年生；毕业 于沈阳工业大学电机与 电器专业，现从事新能 源汽 车电机设计研发工作收稿日期：