永磁感应电动机与自起动永磁电动机对比研究

上官璇峰,蒋思远,李正修

(河南理工大学,焦作454000)

0 引 言

当今世界面临巨大的能源问题,据统计,中小型电动机系统的用电量约占工业系统总用电量的75%、占全国总用电量的50%以上,高效电动机的研究和应用一直受到国家财政的大力扶持[1]。在国外,由于稀土永磁材料价格高,针对高效电动机的开发主要围绕感应电动机进行,采用高性能材料和提高加工工艺。而国内目前广泛使用的感应电动机功率因数和效率相对较低,由于我国工艺水平的差距和稀土永磁资源丰富,永磁电动机以其高的功率因数和效率成为研发和推广应用的一个重要方向。

自起动永磁同步电动机(以下简称LSPMSM)的研究较为成熟,该电动机不需要采取专门的起动措施,使用条件要求低,实用性更强。但在稳态运行时存在转矩波动,引起电动机的振动、噪声甚至是运行故障,直接影响电动机的应用前景[2]。另一种新型的高效电动机即永磁感应电动机(以下简称PMIM),由于结合感应电动机良好的起动性能和永磁电动机高效率、高功率因数和宽的经济运行范围等优点,同时特有的双转子结构,使其应用范围更广,可以在双馈风力发电系统及混合动力方面得以应用,引起了国内外许多学者的研究兴趣。

就目前而言,国内外关于PMIM的参考文献还较少。国外的最新研究主要由法国亚眠大学的A.M.Gazdac,A.Mpanda-Mabwe,意大利拉奎拉大学的Lino Di Leonardo等学者合作进行,指出了PMIM的几种不同结构,分析了不同材料对电动机性能的影响及由于铜耗和铁耗引起的热效应,分析了PMIM的等效电路并提出了控制策略[3-5]。我国学者刁统山,王秀和提出了PMIM的直接功率控制策略并进行了仿真,指出PMIM的控制与异步电动机控制相似,与永磁体转子位置无关,且具有较高的调速范围[6]。

本文在分析PMIM的结构和工作原理的基础上,给出电动机的数学模型方程,并对相关参数进行说明,从理论上分析了PMIM高功率因数及负载能力强的原因。然后利用有限元方法对PMIM和LSPMSM分别进行了仿真,对两种电动机的起动能力和运行性能进行比对分析,阐明各自的优缺点。

1 PM IM结构和原理

PMIM的结构如图1所示,它由定子、鼠笼转子和永磁转子3部分组成,有内、外两个气隙。定子电流所产生磁场与永磁转子磁场之间作用,产生电磁转矩,使得永磁转子同步旋转,这两种磁场形成合成励磁磁场。合成励磁磁场与鼠笼转子之间有相对运动,在鼠笼绕组中感应交流电流。鼠笼绕组中电流也产生同步旋转的磁场和合成励磁磁场共同产生气隙磁场,并作用产生异步转矩,使鼠笼转子运转。

图1 PMIM结构图

2 PMIM数学模型

由上节分析可知,PMIM的气隙磁场由3部分组成,即定子磁场、鼠笼转子产生的磁场和永磁体产生的磁场,其中,定子和永磁体磁场以同步角速度ω0旋转,鼠笼转子以角速度ωr旋转。永磁电动机数学模型的建立一般采用dq0坐标系统,以克服abc坐标系统中电压方程是带有周期性变系数的微分方程给方程求解带来的困难。PMIM由于加入了同步旋转的内转子,其建模过程跟永磁电动机相似[6-7]。建模过程不在赘述,电压方程如下:

式中:ω0为电动机永磁转子电角速度;ωr为电动机鼠笼转子电角速度;R1为定子绕组相电阻;R2d,R2q分别为鼠笼转子直、交轴等效电阻;L1d,L1q分别为定子直、交轴同步电感;L2d,L2q分别为鼠笼转子直、交轴绕组的自感;Lad,Laq分别为定转子之间直、交轴互感;ψ1d,ψ1q分别为定子直、交轴绕组的磁链;ψ2d,ψ2q分别为鼠笼转子直、交轴绕组的磁链;ψ0为永磁体产生的磁链。

由磁链方程可知,PMIM增加了内转子永磁体励磁作用产生的磁通ψ0,那么所需定子励磁电流产生的励磁磁通就会减小,即励磁电流减小,所以,电动机的功率因数提高,也有利于提高电动机的效率。

PMIM的转矩分为鼠笼转子转矩与永磁转子转矩。鼠笼转子转矩与永磁转子转矩之和为电动机的电磁转矩。电动机电磁转矩Tem、鼠笼转子转矩Tor和永磁转子转矩Tir表达式如下:

式中:Ωor为鼠笼转子机械角速度;Ωir为永磁转子机械角速度;TL为负载转矩;Jor为鼠笼转子和所带负载的总转动惯量;Jir为永磁转子的转动惯量;p为极对数。

由电动机的转矩方程并结合其磁链方程可以看出,PMIM的电磁转矩由于其定子直轴绕组磁链ψ1d增加了永磁体产生的磁链ψ0,其电磁转矩Tem将会明显增大。鼠笼转子直接与负载相连,用来平衡外加的负载转矩,由电动机的转矩方程并结合其磁链方程可以看出,鼠笼转子转矩Tor也会增大,这也就意味着电动机的负载能力将会明显增强。在下文的有限元仿真中验证了该理论的正确性。永磁转子的作用为助磁,运行时自由旋转,不接负载,其合成电磁转矩Tir主要用于克服转轴上的摩擦力,若忽略转子轴上的摩擦力,且当其转速恒定不变时,其电磁转矩为0,故永磁转子的机械强度要求并不高。

3 特性对比分析

本文研究的PMIM样机定子采用型号为Y160M-4,11 kW普通感应电动机的定子结构,其鼠笼转子采用双鼠笼的结构,笼间磁轭作为磁路,可改善电动机的起动和运行性能。永磁转子的作用为助磁,由铁心和面贴式永磁极组成。有内、外两层气隙。电动机模型参数如表1所示,电动机的截面如图2所示。

表1 PMIM的仿真模型参数

图2 PMIM仿真模型截面图

为了能够把LSPMSM与PMIM做一个合适的比较,LSPMSM仿真模型采用了与PMIM模型相同的定子铁心。电动机模型参数如表2所示,电动机的截面如图3所示。

表2 LSPMSM仿真模型参数

图3 LSPMSM仿真模型截面图

3.1 电磁场分析

本节分别对两种电动机模型进行了有限元仿真分析,电动机空载稳定运行时,PMIM和LSPMSM的气隙磁通密度径向分布(其中PMIM为外气隙)如图4所示。由图4(a)可以看出,PMIM外气隙的磁通密度波形正弦性较好。永磁同步电动机的理想运行是正弦变化的定子电流与正弦分布的气隙磁场相互作用产生恒定的电磁转矩[8],而对于LSPMSM,图4(b)表明,其空载气隙磁场接近矩形波。将两者气隙波形分别进行傅里叶分解后,其各次谐波幅值如图5所示。可以看出LSPMSM气隙磁场基波幅值比PMIM大,这是由于PMIM为双转子的结构,存在两层气隙,增大了励磁回路的磁阻,但是LSPMSM气隙磁场含谐波成分较多,对电动机产生不利影响。具体分析将在下文中详细说明。

图4 气隙磁通密度径向分布

图5 LSPMSM和PMIM气隙磁场各次谐波幅值的比较

3.2 电动机起动性能分析

本节首先对PMIM永磁转子转动惯量对电动机起动性能的影响进行了仿真分析。图6表明,在永磁转子转动惯量较大时,电动机在额定负载下不能自起动,减小转动惯量后,在额定负载下能较快自起动。可见PMIM起动能力对永磁转子的转动惯量很敏感,所以,在不影响机械强度和磁路性能的情况下,应尽量减小永磁转子的转动惯量。

图6 PMIM永磁转子转动惯量对起动过程的影响

图7 显示了PMIM和LSPMSM空载起动过程的速度曲线。由速度曲线可以看出,LSPMSM空载起动到达稳定速度的时间较快,但其稳定后速度曲线不如PMIM平滑。图8显示了PMIM和LSPMSM额定负载起动时的速度曲线及稳定运行时的速度波动对比。可以看出,LSPMSM在400 ms时达到稳定速度,而PMIM用时约800 ms,但LSPMSM速度波动较PMIM大。

图7 空载起动速度曲线对比

图8 额定负载起动速度曲线对比

图9 为电动机空载起动时电磁转矩的变化情况,可以看出,电动机稳定运行后,LSPMSM存在明显的转矩波动,这是由于LSPMSM气隙磁密正弦性较差,含有较多谐波成分,谐波磁场在定子绕组中产生谐波电动势和谐波电流,另外还有齿槽转矩的原因,使电动机的电磁转矩波动较大。这种波动会引起电动机的振动、噪声甚至是运行故障,对电动机是十分不利的,而PMIM的转矩波动明显要小。

图9 空载起动电磁转矩-时间曲线对比

3.3 发电动机类负载下的起动能力对比

在本节中,把PMIM和LSPMSM在发电动机类型负载下的起动能力做了对比分析。发电动机类负载随转速从0到1 500 r/min,转矩按线性规律从0增长至额定负载71.94 N·m,总负载转动惯量为转子惯量(其中PMIM为鼠笼转子)的5倍。从图10中看出,LSPMSM在该负载和5倍转子转动惯量下牵入同步能力较差,直到1 700 ms转速才逐渐趋于稳定,而PMIM能在800 ms左右较快起动,起动能力较好。

图10 发电动机类负载下电动机起动速度对比曲线

当发电动机类负载转速从0到1 500 r/min过程,负载转矩按线性从0增长至180 N·m,总负载转动惯量为转子惯量的5倍。起动速度曲线如图11所示,可以看出,LSPMSM虽然起动转矩较大,刚起动时加速度较大,但是由于负载转矩随速度大幅增大,使得LSPMSM不能到达同步速,这也正是对LSPMSM设计时的一大难题,即起动转矩和同步能力之间的冲突,需要折衷选择。而PMIM在随速度递增的负载转矩下的起动能力良好,且在这样大的负载转矩下其转差率只有0.028,机械特性硬。结合电动机的转矩方程及其磁链方程可知,鼠笼转子直轴绕组磁链ψ2d增加了永磁体产生的磁链ψ0,使得鼠笼转子转矩Tor增大,这也就意味着电动机的负载能力将会明显增强。另外PMIM在这种情况下效率为0.806,而LSPMSM无法迁入同步,使其工作在异步状态,转速波动大,效率仅为0.499 6,故PMIM适用于风机水泵等负载随转速快速增大且需要电动机长期运行的场合。

图11 发电动机类负载重载下电动机起动速度对比曲线

3.4 损耗分析

本节主要对PMIM和LSPMSM定、转子铁心损耗进行分析。表3为PMIM和LSPMSM分别在空载和额定负载下的铁心损耗。

由表3可以看出,LSPMSM在稳定运行后,其转子铁心内仍有铁耗,这一方面由气隙磁场的谐波成分产生。另一方面由于谐波磁场在定子绕组中产生谐波电动势和谐波电流,使电动机的电磁转矩波动进而造成速度波动,进一步增加了铁心损耗。PMIM虽然是异步速工作,但由于其机械特性硬,转子铁耗并不大。

表3 PMIM和LSPMSM空载和额定负载下的铁心损耗p/W

3.5 仿真结果的计算分析

由图12可以看出,PMIM和LSPMSM两种电动机都有较高的效率,且LSPMSM的效率更高,其主要原因在于定子绕组的电阻小,定子铜耗减小。另外,虽然LSPMSM气隙磁场谐波成分较高及转速波动引起鼠笼绕组中存在铜耗,但相较于以异步速工作的PMIM,其转子铜耗仍然较小。此外,两种电动机均在较宽的负载转矩范围内保持较高的效率。

图12 效率对比曲线

由图13可以看出,PMIM和LSPMSM由于均存在永磁体励磁,功率因数很高,且在20%额定负载转矩后基本到达1,大幅改善了异步电动机在轻载时功率因数低的弊端。由于PMIM为双转子的结构,存在两层气隙,增大了励磁回路的磁阻,导致其效率和功率因数均不如LSPMSM。

图13 功率因数对比曲线

4 结 语

本文对两种高效节能电动机PMIM和LSPMSM进行了对比研究,对其起动性能及运行特性进行分析。有限元仿真表明:LSPMSM在恒转矩负载下起动能力优于PMIM,而PMIM在负载转矩随转速快速增加负载下起动能力较好;LSPMSM气隙磁场谐波成分较大,导致其存在明显的转矩波动,稳定运行时存在速度波动,而PMIM的转矩波动小,使得速度更为平滑;两种电动机均有较宽的速度范围内具有较高的运行效率和功率因数,高效节能。

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