（电机与电器专业论文）高性能化纤用两极永磁同步电动机的设计研究.pdf

婆堕三些查堂堕主堂兰尘玺皇i 一一 d e s i g na n ds t u d y o nm g hp e r f o r m a n c et w o 。p o l e c h e m i c a l f i b e rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r a b s t r a c t t h i sp a p e ri sc a r r i e do u ta r o u n d t h ed e v e l o p m e n to f h i g hp e r f o n n a n c ct w o p o l ec h e m i c a l f i b e re l e c t r i cm o t o rw h i c hp o s s e s s e sw i d em a r k e tp r o s p e c ti nc h e m i c a lf i b e rt r a d e ，a n dg a i n s s e r i e so f r e s u l t sw h i c hh a v ec e r t a i na c a d e m i cl e v e la n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a lw o r t h t h i sp a p e r c o n s i s to f s i x p a r t s ： t o r q u ec o m p o n e n t so f l i n es t a r tp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( l s p m s m ) a r e s t u d i e dd e e p l y e s p e c i a l l yt h em o t o r sn l i 】五衄t c q u ea n dp u l l - i nt o r q u ed u r i n gt h es t a r t i n g p r o c e s s t h ei n f l u e n c e o fm o o r s p a r a m e t e r o n t o r q u ec o m p o n e n t s i sa 1 1 a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ed e s i g nf e a t u r e so fc h e m i c a lf i b e re l e c t r i cm o t o r , c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n s o t t w a r ew h i c hi ss u i t a b l ef o rc h e m i c a lf i b e re l e c t r i cm o t o r d e s i g n i sd e v e l o p e d t h ei n f l u e n c eo ft h em o t o r sd e s i g np a r a m e t e r so ns t a r t i n gp e r f o r m a n c ei sd e e p l y c o n t r a s t e d b a s e do i lt h et w o - p o l ec h e m i c a lf i b e re l e c t r i cm o t o r d e s i g nf e a t u r e s ，t h ed e s i g n r u l e s 0 f h i 曲p e r f o r m a n c e t w o - p o l e c h e m i c a le l e c t r i cm o t o ri sg e 1 1 t h e d j g i t a is i m u l a t i o nm o d e l o fl s p m s mb a s e do nt h ep a r k e q u a t i o n i sg i v e na n dt h c s i m u l a t i o ns o f i 、】v a r co fl s p m s m ss t a r t i n gp r o c e s si sd e v e l o p e d t h es t a r t i n gp r o c e s so f l s p m s mi ss t u d i e dt 1 1 r o u g hs i m u l a t i o n a l l i g hp e r f o m m c et w o - p o l ec h e m i c a lf i b e re l e c l r i cm o t o ri sd e v e l o p e d d u r i n gt h i s d e s i g n ad e wk i n do f r o t o rs m m t u r ew i t hc l o s e ds l o t sa n d o p e n e d s l o t si sa d o p t e d a n a l y s i sa n d c o n t r a s to f t h i sn e ws t r u c t u r eh a v eb e e n d o n e b ye l e e t r o m a g 脚f i em e t h o d t h e p r o t o t y p et e s th a sb e e nd o n e t e s tr e s u l t ss h o w t h ep r o t o t y p e ss t a r t i n gp e r f o r m a n c e c a nm e e tt h er e q u i r eo f p r o d u c 6 0 n , a n d e f f i c i e n c ya n dp o w e r f a c t o rc o n t r a s tt 0f a c t o r ys t a n d a r d h a v e b e e ne n h a n c e d g r e a t l y k e yw o r d s ：c h e m i c a lf i b e re l e c t r i cm o t o r t w o - p o l ee l e c t r i cm o t o r ，d e s i g na n ds t u d y ， s t a r t i n gp e r f o r m a n c e ，d i g i t a ls i m u l a t i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲懈啉继 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：厘坐生 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景、意义及来源 化纤专用三相异步起动永磁同步电动机( 以下简称化纤电机) 在化纤工业中主要 是用于纺丝机的传动。化纤纺丝机是将聚合体纺制成未经牵伸的丝束的一种机械，也称 “纺丝卷绕机”。图1 1 为化纤电机在纺丝机中应用的示意图。纺丝机上要卷取从喷丝 头喷出的物理性质还不稳定的，未经牵伸的丝束，这种机器性能的好坏对纺丝成品的质 图1 1 化纤电机在纺丝机上应用的示意图 量有极大的影响，所以对这种机器所用的电气设备的性能有很高的要求。纺丝机要保证 各纺丝单元相同部位的传动辊都能以同步的速度转动：另外每个纺织单元中各辊间要保 持一定的速比关系运转，以保持纺丝质量。永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源 频率保持恒定的关系，这一固有特性使得它尤其适用于由同一变频电源供电的要求准确 沈阳工业大学硕士学位论文 同步的纺织机的传动中【1 1 1 2 1 1 3 1 ，同时由于化纤电机的年运行时间长( 一般在8 0 0 0 h 以 上) 1 1 ，永磁同步电动机的效率高，因此节电效果明显。 纺丝机要提高产能，在对产品进行物理、化学等方面的改进的同时，纺丝速度也要 相应的提高嗍【5 】【司r 刁。e t 本及国内的中国纺织科学院机械厂、大连华纶化纤工程公司的长 丝高速卷绕头，卷绕速度在6 0 0 0 m m i n 左右，并且还有进一步提高转速的要求 7 1 。两极 永磁同步电动机在工频5 0 h z 下转速可达3 0 0 0 r r a i n ，在变频电源驱动下更容易获得高 速，非常适应化纤工业提高转速的要求。但是在两极永磁同步电动机设计中，由于永磁 体槽同转子槽竞争转子空间的问题尤为突出，两极永磁同步电动机的设计一直是异步起 动永磁同步电机设计中的难点；同时化纤电机负载的转动惯量很大，电机的牵入同步能 力要求高，这也增加了两极化纤电机的设计难度。因此，目前两极化纤电机在生产中应 用较少，少数厂家生产的产品性能指标也不高。为适应化纤工业提高转速的要求，研制 开发高性能两极化纤电机，替代国外进口产品或者国产低性能的电机产品，具有重要的 现实意义。 本课题是国家“十五”科技攻关项目的子课题，重点围绕着高性能两极化纤电机的 优化设计展开研究。 1 2 国内外研究发展概况 1 2 1 化纤电机国内外发展概况 化纤专用电机最先由国外研制成功，比较有代表性的有德国西门子公司和日本明电 舍株式会社研制的这类电机，最初使用的永磁材料是铁氧体。2 0 世纪6 0 年代，西门子 公司采用了图1 2 所示的磁路结构，每极气隙磁通可有两块相邻永磁体并联提供，利用 这种结构的聚磁效果来提高每极气隙磁通；为了提高电机的牵入性能，在转子笼中插入 紫铜条。7 0 年代，西门子公司将转子改为铸铝转子，不仅加工方便，降低了生产成 本，而且提高了转子整体的机械强度，但电机的体积增大了，功率密度降低了，如四极 o 1 k w 的铁心长度和o 1 8 k w 铜条转子电机相同：0 2 5 k w 的定子铁心长度和定子外径与 0 3 7 k w 铜条转子电机相同，而且转子外径由7 5 m m 放大到8 8 m m | 8 1 。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 2 西门子公司转子磁路结构( 2 0 世纪6 0 7 0 年f b 转子起动笼的电阻值对电机的牵入性能有很大的影响，实践表明，在相同的转子槽 形情况下，铜条转子的牵入同步能力较铸铝转子提高3 0 。图1 3 是铸铝转子与铜条转 子牵入同步能力对比的曲线。但是由于铸铝转子在加工工艺、成本和机械强度等方面有 很大的优点，因此早期这两种形式都有采用，但有向铸铝转子发展的趋势：如同本明电 舍株式会社研制的电机采用铜条转子，富士通株式会社采用铸铝转子，德国西门子公司 最早产品为铜条转子，而2 0 世纪7 0 年代开始改为铸铝转子。目前国外化纤电机基本上 均采用铸铝转子嘲翻。 c 萨( 畸一 图1 3 铸铝转子与铜条转子牵入性能的对比曲线 早期的化纤电机永磁材料采用铁氧体，气隙磁密较低，电机的体积大、效率和功率 因数低a 表1 1 给出了西门子公司早期化纤电机的一些技术数据。1 9 8 3 年，高性能钕铁 硼( n d f e b ) 永磁材料问世，为化纤电机的发展提供了重要的机遇，国外化纤电机生产 3 羹 1】。jt，1】，】，卜舯 一 心 詹 - o 州 椭 却 仉 一量鼍d 上 婆堕王些查兰堡主堂堡堡兰一 厂纷纷采用钕铁硼永磁同步电动机来代替铁氧体永磁同步电动机。采用钕铁硼永磁材 料，化纤电机可以做得体积更小、性能更好、功率密度更高；但同时，随着电机气隙磁 密的提高，永磁同步电机的发电制动转矩增大，电机的起动性能( 包括牵入性能) 有所 降低，给化纤电机的研究和设计带来了一系列需要研究、解决的理论和关键设计技术难 题。 表i i 西门子公司早期化纤电机的技术数据 我国化纤电机的研制开始于2 0 世纪7 0 年代，当时正值我国化纤工业迅速发展，急 需大量永磁同步电动机。在对西门子公司6 0 年代出品的样机进行性能试验、结构分析 的基础上，于1 9 7 6 年4 月底研制成功四极3 7 0 w 和7 5 0 w 两种规格的样机，并根据配 套要求很快形成了四极从9 0 w 到7 5 0 w ：六极从6 0 w 至3 7 0 w 的化纤专用f t y 三相永 磁同步电动机系列。兀 y 系列化纤电机永磁材料均采用铁氧体，电机性能指标不是很高 1 9 j 。2 0 世纪9 0 年代，沈阳工业大学、西北工业大学等多家研究单位开展了用钕铁硼化 纤电机来替代铁氧体化纤电机的研究工作。沈阳工业大学特种电机研究所在国家8 6 3 重 点项目“钕铁硼电机应用产品开发”的资助下，开发了f t y 2 系列四极和六极化纤机械 专用钕铁硼永磁同步电机，并制造出了兀1 8 0 - 4 、f 下坨7 5 0 - 4 、f t y 2 1 2 0 6 、f t y 2 1 8 0 - 6 、f t y 2 - 2 5 0 - 6 和f t y 2 - 3 7 0 - 6 六个规格的样机【l0 j 。表1 2 是该项目所开发的六种规 格f t y 2 系列永磁同步电动机与现有兀y 系列化纤电机的主要性能的对比情况。从中 可以看出与现有兀y 系列相比，该项目开发的电机在各项性能上均有了很大的改善。 4 婆堕三、业盔兰堡主堂垡堡茎 表1 2f 1 y 系列与f t y 2 系列电机主要性能对比情况 f t y - 1 8 0 - 41 41 4 0 57 59 0 f t y 2 3 7 0 63 6 63 9 9 2 1 78 7 6 99 0 1 2 2 两极内置式永磁同步电机的安装形式 两极永磁同步电动机设计是异步起动永磁同步电机设计中的一个难点。电机要获得 较高的稳态性能指标就要增加永磁体的用量，而较好的起动性能又要求电机转子槽不能 太浅，永磁体槽与转予槽竞争转子有限空间的问题，在两极永磁同步电动机中更为突 出。针对此问题，文献【1 1 设计出了如图1 4 所示的转子结构，这种结构以牺牲几 图1 4 两种内置式两极永磁电机永磁体安装形式 5 沈阳。l 业大学硕士学位论文 个转予槽为代价，为永磁体的安放提供了更大的空间。但是对于这种转子槽不均匀分布 对电机起动性能的影响未做分析，鼠由于转予端环的存在，永磁体的安敖也有困难，对 于小功率电机尤其困难。 匡前，对于起置式两极永磁同步电动机，较合理的永磁俸安放形式为圆弧式和多段 径向式结构，如图1 5 和图1 6 所示。这两种形式相比较，圆弧式可以提供更大的永磁 体安放空间，但圆弧式永磁体的翻工成本较径向式的商很多。 圈1 5 圆弧式安放形式 图1 6 多段径向式安放形式 1 2 3 两极化纤电机工业斑用情况 由于两极电机设计上的困难，目前化纤工业巾嚣板电机的应用还很少，日本明电舍 株式会社最新的永磁电机p m l 0 0 系列中，没有两极永磁同步电动机产品，其实现高速 是利用4 极电机由变频器驱动来实现的。这种方法除实现更高速有困难外，还有其 电一 些缺点：倒如电机的铁耗近似与频率的l ，3 次方成正比，司样以3 0 0 0 r r a i n 运转，4 板电 机的铁耗要比两极电机的铁耗大很多。国内浙江中源电气、澜南纺织机械厂等少数厂家 可醵生产两极永磁耐步电动机，但是其性能指标都不是很高。衷1 3 给出了渭卤纺织机 表l j 渭南纺织机械厂两极化纤电机韵些主要技术指标 - 6 - 惫，彩，瑟( ) 邋 沈阳工业大学硕士学位论文 械厂生产的化纤专用f t y 2 系列电机中的两极电机的一些主要技术指标，从中可以看出 电机的效率和功率因数均不是很高，究其原因是因为没有解决好电机的高起动性能和高 稳态性能指标相制约的问题。 1 2 4 研究方法的发展概况 化纤电机属于一种异步起动的永磁同步电动机。异步起动永磁同步电动机，由于转 子永磁体的存在，使其起动过程远比笼型感应电动机复杂，而起动性能的好坏往往直接 决定了电机设计的成败。关于异步起动永磁同步电动机，国内外学者做了大量的研究工 作，并取得了较好的成果【1 2 j 。f 1 9 1 。起动过程的分析目前大都采用电机集中参数，列出电 机的状态方程，用数值仿真求解；也有用有限元法，分析电机的整个起动过程中电机的 涡流场，从而计算出转矩一转速曲线。文献 1 7 】对永磁同步电动机的起动过程进行了深 入的分析，考察了转子参数对起动特性的影响，并得到了有价值的结论；文献 1 8 对牵 入同步过程进行了分析，并推导出了一个“牵入同步”的标准。文献【1 9 从永磁同步电 动机的基本数学模型入手，导出了简单实用而又准确的牵入同步判据，它考虑了国外电 机专家m i l l e r 没有考虑的牵入同步过程中脉动转矩的幅值随转差率的变化和电枢电阻的 影响。文献 2 0 】在对永磁同步电动机起动和牵入同步过程分析基础上给出了一种牵入性 能的实用计算方法，并考虑了杂散损耗对牵入性能的影响。 但上述对起动过程的分析未结合电动机的具体设计过程，尤其对起动过程中最小转 矩和牵入转矩的研究不够系统和深入，并缺乏与电动机其他性能指标要求的综合考虑。 1 3 本课题的主要工作内容 目前两极化纤电机的稳态性能指标不高，主要是因两极化纤电机要求高起动性能制 约了电机稳态性能指标的提高。本文将围绕着开发高性能两极化纤电机展开工作，通过 对永磁同步电动机起动过程中各种转矩的分析研究、电机主要设计参数对电机起动性能 影响的分析研究、异步起动永磁同步电动机起动过程的仿真研究，总结出高性能两极化 纤电机的有关设计准则，最终研制开发出台高性能的两极化纤电机。 具体工作分为以下几个方面： ( 1 ) 异步起动永磁同步电动机转矩分析 一7 沈阳工业大学硕士学位论文 化纤电机属于一种异步起动的永磁同步电动机，要设计高性能的两极化纤电机首先 要保证电机的起动性能满足实际生产的要求。本文将对异步起动永磁同步电动机的起动 过程中的各种转矩进行分析研究，研究电机主要参数对电机起动性能的影响，在此基础 上总结出高性能两极化纤电机的设计准则。 ( 2 ) 编制适用于化纤电机设计的电磁设计c a d 软件 化纤电机的特点是负载的转动惯量大，电机的牵入性能要求高，能否准确的计算出 电机在带有特定转动惯量下电机所对应的牵入同步转矩大小，对于化纤电机的设计至关 重要。本文将对永磁同步电动机的牵入同步机理进行深入的分析研究，在此基础上编制 具有准确计算电机在带有特定转动惯量下电机所对应的牵入同步转矩倍数的c a d 软 件。为了方便使用，将利用v i s u a lb a s i c 语言编制c a d 程序的输入、输出界面。 ( 3 ) 异步起动永磁同步电动机起动过程的仿真 电机的起动过程是一个复杂的物理过程，而永磁同步电动机由于转子上存在永磁 体，其起动过程较异步电机更为复杂。本文将根据永磁同步电动机的基本原理，给出电 机的微分方程一数学模型，根据数学模型编制异步永磁同步电动机起动仿真程序，对 异步起动永磁同步电动机的起动过程进行仿真研究。 ( 4 ) 高性能两极化纤电机的研制开发 以本文所提出的设计准则为指导，研究开发一台高性能的两极化纤电机，并对样机 进行试验。 另外，本次两极化纤电机开发为了降低电机的成本，永磁体的安放形式将采用多段 径向式结构、转子起动笼采用铸铝式结构、硅钢片选用价格较便宜的冷轧硅钢片，这都 增加了电机设计的难度。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 2 异步起动永磁同步电动机的起动过程分析 2 1 引言 异步起动永磁同步电动机的起动过程可以分为异步起动和牵入同步两个阶段，永磁 同步电动机要实现高效节能运行，其首要条件是永磁同步电动机可以顺利的起动并可靠 的牵入同步转速稳定运行，因此良好的起动性能是永磁同步电动机设计成败的关键 2 0 l 。 】。两极感应电机本身起动比较困难，其起动性能的改善是采用深槽转子或者双笼转子 结构，利用这种结构起动过程中的集肤效应来改善电机的起动性能 2 4 i 2 5 2 6 1 。两极永磁同 步电动机由于永磁体槽与转子槽竞争空间的问题非常突出，转子不太可能采用深槽或双 笼结构；化纤工业用的永磁同步电动机由于负载的转动惯量大，电机的牵入同步能力要 求高。两极化纤电机的高起动性能要求制约了电机的稳态性能指标的提高，因此要设计 高性能的两极化纤电机，就要对异步起动的永磁同步电动机的起动过程进行深入的研 究，找出提高电机起动性能的措施，指导电机的设计。 考核电机起动性能的转矩指标包括初始起动转矩( 堵转转矩) 、最小转矩、牵入转 矩。本章将对异步起动永磁同步电动机起动过程进行简要的分析，并在此基础上，对起 动过程中的各种转矩进行分析研究，重点是对永磁同步电动机最小转矩和牵入转矩进行 研究，分析各种因素对永磁同步电动机起动性能的影响规律。 2 2 异步起动永磁同步电动机起动过程分析 文献【2 7 】已经对异步起动永磁同步电动机的起动过程进行了详细的分析，为后面叙 述方便，现将其主要内容摘录如下： 2 2 1 异步起动永磁同步电动机起动过程中的电磁转矩 为便于分柝，假设永磁同步电动机的整个起动过程非常缓慢，电动机在不同异步转 速下稳定运行。从描述异步起动永磁同步电动机瞬态行为的复数形式微分方程出发，经 过一系列复杂的运算和整理后，可得到如下的电磁转矩表达式口7 】： 乙= 乙+ e o s ( o f 1 ) + kc o s ( 2 0 一口)( 2 1 ) 9 沈阳工业大学硕士学位论文 上式中第一项l ，为起动过程中的总平均转矩，为起动过程中的永磁脉动转矩的 幅值，k 为起动过程中的磁阻脉动转矩的幅值。 永磁同步电动机起动过程中转速相同的定、转子磁场相互作用产生起动过程中的总 平均转矩乙，乙由l 、瓦和t 三个平均转矩分量构成，即 乙= l + 瓦+ 瓦 ( 2 2 ) 式中的l 、瓦和t 三个平均转矩分量的详细分析参见文献 2 7 】。 异步起动永磁同步电动机在起动过程中转速不同的定、转子磁场相互作用产生起动 过程中的脉动转矩，在不计脉动转矩的幅值随转差率变化而稍有变化的情况下，在3 6 0 电角度范围内，其平均值为零。异步电动机起动过程中存在两种脉动频率的脉动转矩： 脉动频率为2 旷的脉动转矩称为磁阻脉动转矩，即电磁转矩中的kc o 啦0 删项；脉动 频率为矿的脉动转矩称为永磁脉动转矩，即电磁转矩中的z 蜊c , o s ( o p ) 项。上述两个脉 动转矩中，永磁脉动转矩的幅值远大于磁阻脉动转矩的幅值跚。 2 2 2 永磁电机牵入同步的机理 异步起动永磁同步电动机起动过程中满足的机械运动方程为1 2 刀 瓦= j 詈 ( 2 3 ) 对式( 2 - 3 ) 中等式的右边进行变形，得到 詈= 塑盟d 0 趔= 一等叩生d 0 = 一古毋旦d 0 叫) d f 口口。 彩，5 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，得 乙一t = 一吉知；s 啬 ( 2 5 ) 式中，o - - x 懒，q 机械角速度，q 。一同步机械角速度，7 _ 起动过程中的电磁 转矩，乏起动过程中的负载转矩，系统( 包括电动机和负载) 的转动惯量，国。一电 动机的同步电角速度。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 根据能量守恒原理，牵入同步过程中转子动能的增加应等于该过程中转矩所作的 功。设电机在某一转速( 对应的转差率乩称为临界转差率) 下开始牵入同步，当电机达 到同步转速时，转子动能的增加为s 2 0 j c o ? 2 p2 ，很显然，如果电磁转矩和负载转矩所 能提供的最大能量能够满足转子动能的增加，则将电机升速到超过同步转速，然后又减 速，电机围绕同步转速振荡。由于稳态同步转矩的作用，振荡逐渐衰减，电机最终牵入 同步转速稳定运行。这反映在转矩一转速轨迹上( 见图2 1 ) 为一系列顺时针方氲旋转的 近似椭圆的曲线f 2 7 1 。 圈2 1 永磁同步电动机的起动过程中的转矩一转速曲线 i 瞬态转矩2 负载转矩 2 3 影响永磁电机起动性能因素的分析 考核永磁电机起动性能的转矩指标包括初始起动转矩( 堵转转矩) 、最小转矩、牵 入转矩，在对永磁同步电动机起动过程及起动过程中的转矩进行分析的基础上，本节进 一步讨论各种因素对电机起动性能的影响。 2 3 1 永磁同步电动机起动过程中初始起动转矩 永磁同步电动机在s = 1 时的转矩就是初始起动转矩瓦，可以表示为口7 】 鎏堕三些查堂堡主堂焦堡塞 已= 罱。雨磊c l x ， 1 “2 矿c r 。+ c r ；) 2 + 伍+：) 2 。 式中m 一相数，p 一极对数，一频率，r 。一定子电阻，x 一定子漏抗，r ；一转子折 算电阻，x ；一转子折算漏电抗，q 一修正系数。 从该表达式可以看出，初始起动转矩l 的大小主要由起动时外加电压、定子和转 子的漏抗、电阻决定，这与感应电机计算起始转矩时的公式相同，只是修正系数c ，的计 算略有不同，修正系数q 的计算可参考文献【2 7 】。各种参数对电机初始起动转矩的影响 与感应电机相同，因此本文不再赘述。 2 3 2 永磁同步电动机的最小转矩 最小转矩是影响异步起动永磁同步电动机起动性能的重要因素，图2 2 是异步起动 图2 2 异步起动永磁同步电动机的平均转矩转差率曲线 l l j 曲线2 - - 瓦一5 曲线3 一瓦一s 曲线4 - - 1 , 2 , 3 的合成曲线 永磁电动机平均转矩一转差率曲线。从图中可以看出，永磁同步电动机起动过程中，转 矩曲线有两个比较明显的下凹点，一个出现在较低速处，是由发电制动转矩疋的最大值 引起的，另一个由异步转矩瓦引起的，出现在稍高于半同步速处。对于恒转矩负载，永 磁电机如果设计不合理，最小转矩太小，电机在低速处或者在略高于半同步转速处会发 生“爬行”现象，电机无法正常起动。因此对于永磁同步电动机最小转矩的考核往往比 电机初始起动转矩的考核更重要【2 0 1 。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 实践表明，对于设计合理的永磁同步电动机，由于磁阻负序分量转矩瓦的幅值相对 于发电制动转矩的幅值来说较小，同时由于在略高于半同步转速时异步转矩l 较低速时 又有所增加，所以由转矩瓦引起的最小转矩相对较大些，对于永磁同步电动机起动的影 响相对较小；由发电制动转矩疋引起的最小转矩较小，是影响永磁同步电动机起动性能 的关键因素。下面对影响最小转矩的因素进行详细的分析。 由于永磁同步电动机的转子磁路不对称，异步转矩艺和磁阻负序分量转矩瓦的准 确计算非常复杂。在工程上常用近似的方法将两者合并计算( 疋+ 瓦= 乏) ，且近似采用 感应电动机的转矩公式【见公式( 2 7 ) 】计算z ，再根据经验加以修正。 t 2 面瓯石币m p u 矿2 r ；币s 翮 ( 2 7 ) 式中c | 一修正系数，c l = 1 + x l x 。 图2 2 中对应于发电制动转矩最大值处的异步转矩正，减去发电制动转矩的最大值 ，就得到了永磁同步电动机起动过程中的最小转矩。因此，要提高永磁同步电 动机的最小转矩7 二，可以从增大合成转矩t 和减小发电制动转矩的最大值丁二两方面 来考虑。 根据公式( 2 7 ) 单纯从提高永磁同步电动机的异步起动转矩考虑，电机的定子电 阻、定转子漏抗应该设计的小一些，转子电阻应该设计的大一些。 永磁发电制动转矩乙是影响最小转矩的个非常重要的因素。下面对其进行重点分 析。发电制动转矩的表达式为【2 7 】： 乙= 南 鬻 黑 亿鳓 为了简化表达式，令1 一s = t ，则上式变为： 。2 警，鼢 2 矿 仅? + j zf2 丫 “7 以f 为自变量，对t 求导，得： - 1 3 婆旦三些查兰堡主堂垡堡茎 ，一竺竺；兰i 墨i ：! 墨i 兰i ! ：二兰! 兰i ! ：! 兰! 墨z 墨：! ： 、 2 对 ；+ xd x l l 2 l 令= 0 ，整理得： x 。x 4 + 3 r x 。一x 。) f 2 一r ? = o 求解该方程，得： 。时竖必匪2 x d 巫巫 因为这里转差率的取值位于区间o 1 1 上，t 一取正值，得 厍夏震 因为s = l t ，得到s 为： 铲卜未 为便于分析，令争；，因为z 。 x 。，所以軎 1 ，原式变为： 铲1 告杪- 1 ) + 捂。m 将s 。带入瓦，得到疋的最大值为： ，一盟土塑：压至 压巫 锄耐_ ) + 乒习2 对式r 2 1 们进行简化得： = ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 陀1 3 ) ( 2 ，1 4 ) ( 2 1 5 ) r 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 根据式( 2 1 7 ) ，发电制动转矩的最大值。与空载反电动势昂、交轴同步电抗五以 及比值| i 有关。同时以七为自变量，发电制动转矩的最大值为增函数，即随着的 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 增大，z t 圳会增加。因此单纯从降低发电制动转矩提高最小转矩方面考虑，电机的空载 反电动势瓯、交轴同步电抗x 。以及比值k 应该设计的小一些。 2 3 3 永磁同步电动机的牵入转矩 牵入转矩是异步起动永磁同步电动机起动过程中的又一个重要转矩，即使电动机具 有足够的初始起动转矩和最小转矩，如果牵入转矩不够，电动机将不能进入同步运行状 态，最终导致电动机起动失败。在永磁同步电动机牵入同步的过程中，异步转矩所作的 功始终为正，发电制动转矩和负载转矩所作的功始终为负，永磁同步电动机之所以能够 牵入同步最终要靠脉动转矩的作用。当电机达到同步转速时，转子动篚的增加为 s ：如；2 p 2 ，当负载的转动惯量较大时，牵入同步时转予所需要的动能增加量越大， 电机牵入同步越难。当系统的转动惯量一定时，影响电动机牵入同步能力的因素主要有 两个：脉动转矩和电机开始牵入同步时的临界转速( 即临界转差率所对应的转速) 的大 小。 临界转速取决于电机的转矩转速曲线，即机械特性曲线的硬度。机械特性曲线越 硬，即曲线越陡，电动机的临界转速越高，牵入同步时转子所需要动能的增加量越小， 电动机的牵入同步能力越好：反之，机械特性越软，则临界转速低，电动机越难牵入同 步。从图2 2 永磁同步电动机的转矩转差率曲线可以看出，在电机接近同步转速的情 况下，影响平均转矩的主要因素是异步转矩，因此可以通过分析影响异步转矩曲线斜率 的因素来进行分析。 机械特性曲线的硬度是指转差率小于对应异步转矩最大值疋一的转差率s 。之后曲 线的斜率，对异步转矩r 求导，得到曲线的斜率： 生d s 筹艘蔫ri s ) 蚓 b 酌 2 咖4 陋。+ c 。；2 + 佤+ q 彤) 2 1 2 、 可以看出，曲线的斜率与定、转子电阻和定、转子漏抗有关，下面分别加以分析 定子电阻 为了考察定子电阻对斜率的影响，以定子电阻为自变量，对转矩转差率曲线的斜 率求导，得到： 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 篆一警。 而高钿+ 塑华垡! ! 监垡：二! ：睦选；善! 型幽 陋+ c 1 ，s ) 2 + 。+ c i 噩) 2 fj 从该导数的表达式可以看出，该导数小于零，也就是说以定子电阻为自变量时，曲 线的斜率为减函数。定子电阻增大，会使斜率减小，机械特性变软，电机的牵入性能因 a t e , 相反如果定子电阻减小，会使斜率增大，机械特性变硬，电机的牵入性能相应 的提高。 定子漏抗 同理，以定子漏抗为自变量，对转矩转差率曲线的斜率求导，得到： 嚣一可m p u 2 r ； 而端韵+ 蜓车巡监垡：二! ：瞳垡：耸墨豳 妞。4 - c 1 必s ) 2 + 伍。+ c 1 墨) 2 】3j ( 2 2 0 ) 从该表达式可以看出，曲线的斜率对定子漏抗的导数为负，也就是说以定子漏抗为 自变量时，转矩转差率曲线的斜率为减函数。定子漏抗对电机牵入性能的影响与定子 电阻的影响情况相同。 转子漏抗 同理，以转子漏抗为自变量，对转矩转差率曲线的斜率求导，得到 望；一堂丝垡 a z 22 咖4 雨焉i s ) +【k ，+ q 足2 + 阮+ c 。墨) 2 f 。 塑斗型监墨i ：二! ：瞳亟o 型出 一。 陋。+ c l 碍i s ) 2 + 口。+ c l z ) 2 fj 可以看出，转矩转差率曲线对转子漏抗的导数也为负，因此，转子漏抗对牵入性 能的影响与定子电阻和定子漏抗的影响情况相同。 转子电阻 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 转子电阻的变化不会影响到异步转矩的最大值，但是会影响到电机对应异步转矩最 大值l 一时转差率s 。的大小。增大转子电阻值，电机的s 。会增大，但是瓦一却没有变 化，这样曲线的斜率减小，机械特性就变软。 因此，从增加电机的机械特性的硬度来提高电机的牵入性能的角度来考虑，电机的 定、转子电阻和漏抗都应该设计的小一些。 在永磁同步电动机最后牵入同步的过程中，磁阻脉动转矩和永磁脉动转矩分别作了 多少功是一个值得关注的问题，因为在电机牵入同步的过程中这两种转矩起了决定性作 用，其作功的多少反映了电机的牵入能力好坏。下面是对这一问题的求解和分析。 设气隙旋转磁场相对于转子旋转过程中，0 角在0 l 和02 范围内变化，则该过程中 永磁脉动转矩和磁阻脉动转矩所作的功为： w = r p o ) c o s ( 目一所+ z ( s ) c o s ( 2 口一口) k 曰 ( 2 2 2 ) 为了求得永磁脉动转矩和磁阻脉动转矩在牵入同步过程中为加速转子所作的有用 功，可对在3 6 0 电角度范围内求正的最大值。该最大值与0l 和02 有关，在计算机上 利用软件编程的方法可以求得当取最大值时的p l 和02 ，继而可以分别求得永磁脉动 转矩和磁阻脉动转矩在牵入同步的过程中所作的功，这就是它们为加速转予所能提供的 最大能量。下面以某0 7 5 k w 、4 极电机为例来加以进步论述。 设电机开始牵入同步时的转差率s o = o 0 2 3 ，计算得口= 8 8 0 9 电角度，口= 7 9 5 3 电角度，则当01 = - - 2 7 6 2 电角度，02 = 1 7 3 6 2 电角度时，可以得到最大牵入能量 暇。= 2 5 1 6 j ，这时永磁脉动转矩和磁阻脉动转矩所提供的能量分别为2 4 2 8 j 和 o 8 8 j ，分别占最大牵入能量的9 6 5 和3 5 。由此可见在牵入同步过程中，永磁脉动 转矩所起的作用远大于磁阻脉动转矩的作用，适当增加交、直轴同步电抗的比值以提高 磁阻脉动转矩的大小，有利于提高电机的牵入性能伫8 】。 图2 3 给出了永磁脉动转矩、磁阻脉动转矩和它们的合成转矩在气隙旋转磁场相对 于转子旋转一周( 3 6 0 电角度) 过程中为加速转子所提供的牵入能量的变化情况，可以 看出，该牵入能量以3 6 0 电角度为周期在0 到2 5 1 6 j ( 最大值) 之间循环变化。当目，= - 1 7 沈阳工业人学硕士学位论文 - - 2 7 6 2 电角度，目2 = 1 7 3 6 2 电角度时，永磁脉动转矩和磁阻转矩为加速转子作出了最 大功2 5 1 6 j ，这时口l 和口2 之间相差2 0 3 6 1 电角度，也就是说，电机如果不能在这 2 0 1 2 4 电角度内牵入同步，则不可能牵入同步，而是进入一个循环振荡的过程嘲。 蕊 图2 3 牵入过程中能量的变化( 仅考虑永磁脉动和磁阻脉动转矩) 1 永磁脉动转矩2 磁阻脉动转矩3 合成转矩4 能量变化 脉动转矩在永磁同步电动机最后牵入同步的过程中起了决定性的作用，因此从提高 电机牵入性能的角度考虑应该提高脉动转矩的幅值，特别是要提高永磁脉动的幅值，以 提高在牵入同步过程种脉动转矩所能提供的最大能量。 根据文献【1 o 】在不计定子电阻蜀时，永磁脉动转矩和磁阻脉动转矩乙幅值的计 算公式分别为： 1 x h 1l 虬( 声) i 佗2 3 ) f 2 2 4 ) 因此，提高永磁脉动转矩的幅值可以从提高空载反电动势磊的大小和减小直轴电 抗彳一的大小来考虑，适当提高电机的交、直轴电抗的比值五x 。，可以通过提高磁阻 脉动转矩的大小来改善电机的牵入性能。 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 综合上述分析，在系统转动惯量一定的情况下，异步起动永磁同步电动机的牵入同 步能力主要受电机在牵入同步时的机械特性的硬度和牵入同步过程中脉动转矩幅值大小 的影响，提高电机的牵入性能可以从增加电机机械特性的硬度和提高脉动转矩的幅值两 方面来考虑。 2 4 本章小结 1 对异步起动永磁同步电动机的起动过程进行了简要的分析。 2 对影响异步起动永磁同步电动机起动过程中的最小转矩和牵入转矩的因素进行了深 入的研究，重点分析了电机的各种参数对电机最小转矩和牵入转矩的影响情况。 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 3 改善异步起动永磁同步电动机起动性能的研究 3 1 引言 针对化纤电机的设计特点，本章编制了适合化纤电机设计的c a d 软件，并在第2 章研究分析的基础上，利用本文开发的c a d 软件，结合化纤两极永磁电机的设计特 点，对各种电机设计参数对电机的起动性能的影响进行深入的分析和比较；在综合考虑 电机的稳态性能指标的同时，总结出高性能两极化纤电机的设计准则。 3 2 化纤电机c a d 软件的编制 异步起动永磁同步电动机重要的性能指标一一牵入同步转矩，是在额定电压下，电 机由异步状态进入同步运行所能拖动的最大负载转矩。由第2 章的分析可知，牵入同步 转矩不仅和电机本身参数有关，还和负载的转动惯量大小有关。 化纤电机与普通异步起动永磁同步电动机设计并无太大区别，只是由于化纤电机负 载的转动惯量较大，电机的牵入同步性能要求比较高，牵入同步能力是化纤电机考核的 首要指标。为了提高化纤电机的牵入同步能力，日本和西门子的电机都是采用了“大容 量小用”，这就使得电机的功率因数较低，究其原因是对电机的牵入同步转矩计算不准 唧。因此在化纤电机设计时，如果能够准确计算出电机在带有特定转动惯量j 时，电机 所能带动的最大负载转矩的大小，就可以进行有针对性的合理设计。 临界牵入同步状态下牵入转矩倍数l 和系统转动惯量，之间的函数关系复杂，8 0 年代初有人曾认为永磁同步电动机的牵入转矩和转动惯量的平方根之间存在着反比例的 关系，但实际情况远非如此。文献 2 0 】给出了比较实用的用计算机迭代计算的方法，该 文从永磁同步电动机从异步起动到牵入同步过程所满足的机械运动方程式出发，通过永 磁同步电动机向量图，把0 2 万电角度的整条矩角曲线求出来，在计算过程中可同时计 算出对应于不同功角万的负载电流，利用文献 1 8 】的有关理论分析，在考虑了电机杂 散损耗随定子电流变化的情况下，在计算机上利用迭代的方法求得了在不同负载转矩 下，永磁同步电动机所能牵入同步系统转动惯量的临界值t ，： ，：挈( 3 1 ) 国；s o - 2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 式中参数参见文献 2 7 文献【2 8 】在文献【2 0 的基础上作了一些有意义的探讨性工作，提出j 一瓦，曲线近似 符合如下关系式； ，：a e b ( a ，b 为系数，a 0 ，b o )( 3 2 ) 本文利用以上研究成果，编制了适合化纤电机设计的电磁设计c a d 程序，电磁设 计程序流程图如图3 1 所示。利用文献【2 8 】所提出的转动惯量，与临界牵入转矩倍数l 的关系，采用最小二乘法对采用文献【2 0 】的方法计算出来的数据进行了j l 。曲线拟 合，这样就可以计算出特定转动惯量下电机所对应的临界牵入同步转矩倍数，可以方便 的指导化纤电机的设计。 图3 1 电磁设计程序的流程图 2 1 沈阳工业大学硕士学位论文 电磁设计程序采用f o r t r a n9 0 语言编制而成，f o r t r a n 语言以其清楚的结构层次、强 大的数值计算与数学分析能力，广泛应用于数学与工程计算领域1 2 9 1 1 3 0 。然而，f o r t r a n 语言的一个不足之处是进行可视化编程难度大，而可视化编程是现代计算与分析软件的 重要发展方向之，直接关系到应用程序的使用效果，这一点制约了f o r t r a n 语言的应 用。v i s u a lb a s i c 是m i c r o s o f t 公司推出的程序设计语言，具有简单易学、功能强大、见 效快等特点，它提供了开发w i n d o w s 应用程序最迅速、最简捷的方法【3 l 】。本文采用 f o r t r a n 和v b 两种语言混合开发的方法，利用v b 提供的s h e l l 函数来启动f o r t r a n 生成 的应用程序，这样就把f o r t r a n 语言强大的数值计算能力与v b 的界面操作、数据输入 与数据输出方面的可视化设计能力结合起来，充分利用了这两种语言的各自优势。 在v i s u a lb a s i c 中凡是能在d o s 和w i n d o w s 下运行的应用程序，都可以通过s h e l l 函数来调用。本文就是利用s h e l l 函数调用电磁计算分析程序h x e x e ，完成电磁计算工 作的，程序调用的代码如下： r e t v a l = s h e n ( a p p p a t h & ”恤e x e ”