大功率永磁同步电动机研究

摘 要：介绍一种由嵌入式带磁阻支持的径向高性能磁钢结构LPMR大功率永磁同步电动机，采用相复励分流励磁原理，配以THYRIPART励磁系统，具备良好的冷却效果，过载能力高、转动惯量低，起动性能好，可满足大的起动转矩、最大转矩倍数和低速直接驱动的需求，并能在较大的负载变动范围内始终保持高效运行，使电机具有很高的动态性能。电机防护等级为IP54，可满足用户在各种环境下的使用要求。研究结果为降低系统能量损失，保护用电设备，合理设计参数提供了可靠的依据。

关键词：大功率永磁电动机；冷却；过载能力；能量损失

中图分类号： TM351 文献标识码：A

引 言。随着电力电子技术的发展和工艺技术的进步，对发电机的运行性能提出了新的更高的要求。传统的中小电动机多为异步电动机，其所消耗的电能占全国发电量50~60%，效率很低。由于异步电动机起动转矩过载能力有限，为了满足实际设备起动转矩及过载能力，通常选用功率远大于设备功率的电机，此时的效率一般仅在60%~40%之间。

随着极数的增加，异步电动机在一定程度上可以减少定子铁芯轭部的高度并著缩短定子绕组端部长度，减少定子铜耗，但是其功率因数明显降低，在轻载和空载时更低。船舶、车辆受体积限制，要求电动机高功率密度、高转矩密度，异步电机亦远不能满足[1-2]。本文介绍了一种新型无需励磁电流、无刷恒压输出的大功率永磁同步电动机（Large Permanent Magnet Motor, LPMR），能在较大的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻负载运行时节能效果显著，起动性能好，可满足大的起动转矩、最大转矩倍数和低速直接驱动的需求。

同时没有激磁绕组，加上高性能钕铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力，电极尺寸明显缩小。与异步电动机相比永磁同步电动机更易于实现磁场定向矢量控制，调速及伺服特性很好，并能够满足机械加工的高速、超高速，精密和超精密、快速反应能力等要求，可广泛应用于舰船推进、机车牵引、重工业拖动、石油钻探、矿山开采、造纸等动力行业。

1发电机结构

(a)结构图 (b)电机装置

图1 大功率永磁同步电动机结构示意图

三相无刷永磁同步电动机由具有阻尼绕组与隐极转子的转场式主发电机、转枢式励磁机和励磁装置组成，电枢绕组为中性点有引出线或无引出线的星形接法，如图1所示。根据整体的机械要求可以安排不同的转子结构来满足最完善的工程安装，本文选择装有嵌入磁转子的永磁同步电动机[3]。发电机绕组采用特殊的树脂和真空浸渍绝缘处理工艺，具有高机械强度、高抗震性和极好的绝缘强度；发电机绝缘等级为F级。所采用的绝缘材料具有不吸潮、介电强度高等特性，能承受剧烈的温度变化。具备紧凑的，组合的冷却系统设计，转子内置位置反馈传感编码器。机座采用钢板结构，外形美观大方，设计调整灵活。发电机防护等级为IP54，可满足用户在各种环境下的使用要求，同时在发电机定子绕组中安装温度传感器，可更好地保护发电机。在潮湿环境下，发电机加装防冷凝加热器，可以保证发电机绝缘不受破坏。轴承结构为双轴承，也可提供单轴承结构。轴承为滚动轴承，具有振动小、噪音低等特点

(a)同步绕线磁极电机(b)感应电动机(c)永磁电机

图2不同的感应电动机

发电机励磁采用德国西门子1FC6系列发电机相复励分流励磁原理[4]，配备THYRIPART励磁系统，由于具有可控硅电压调节器、负载决定励磁的相复励磁系统[5]，动态特性优越，如图2所示。相复励分流励磁调压方式保证发电机的电压调节精度，而且即使发电机在自动电压调节器（AVR）出现故障时，发电机电压维持在1.15倍额定电压，发电机仍能进行工作，同时保证用电设备的安全。发电机定子绕组装有铂热电阻传感器（pt100），与KLB智能型温度控制仪同时使用可直接显示发电机定子绕组的实际工作温度，提供报警型号，保护发电机[6]。

发电机励磁装置由1个三相整流变压器带3个单相电流互感器组成。由T1、T2、T3 产生负载励磁电流分量，在T6 次级同空载励磁电流分量进行矢量迭加。由L1C 同T6 初级绕组共同产生空载分量并在T6 次级绕组感应出空载励磁电流分量。励磁系统将主机输出的部分三相交流电整流为直流电, 再通到励磁机定子线圈中进行励磁机励磁。电动机的体积、材料成本、空间和重量与电机正常的轴速是成反比的。将变速箱被安装到电动机中或电动机被安装到变速箱中，可以减小在理想系统轴速下的系统的体积，由此控制转力矩和转速，变速箱速率和电机轴速的搭配使功率-转力矩与空间-成本的关系更合理。

3特性分析

3.1 能量损耗。电动机内部因为在转子机构或机械机构中有永磁而达到它们的磁场，并设定了新的转力矩使用和转子结构的磁阻转矩。永磁体封闭在内部的转子结构、高质量绕组、先进绝缘工艺以及电机内部没有线接头使得电机的具有较高的可靠性及逆变器的兼容性。转子薄板是无孔的,形成了磁性的屏障以增加单向磁通量流通途径，如图3 所示。

在转子中嵌入永磁使其免受机械应力, 磁致应力和化学应力。每个永磁部分都是电防腐的,每个磁极都是涂有保护层的，特殊而简洁的转子设计使电动机更坚稳和高效。由于在转子绕组中没有电流，且铜的热损耗很低，在合理的电机设计范围内，更多的电功率被用于产生转矩。由于电动机内部不会发热，同时聚集在电动机外表面的热能损耗使电动机很容易冷却下来。绕组端部能够附加强迫通风冷却，而永磁电机仅对定子进行水冷。

3.2加速和制动

[1]转矩,[2]电流,[3]输出电压,[4]速度,[5]直流电压

图4 电动机加速与制动

为了分析电动机加速与制动时对转矩，电流，输出电压，转速等性能的影响[7]，本文采用时步有限元法对无制动回路情况进行了分析[8-9]。从如图5相应曲线可看出，在加速后的95.4～95.8s处，对电动机的影响较为明显。发电机装有压降补偿装置，可方便与具有相同压降的其它发电机或电源系统并联运行。特定的设计使LPMR电动机非常高效而且容易冷却，获得可以在低运行温度时的高力矩效果并且结构紧凑。有效的冷却系统和较低损耗减小了LPMR电动机的外形尺寸。

3.3过流能力

图5 电动机过流

节能和免维护的LPMR加入同步磁阻转矩和永磁转矩，提供了高功率密度（kW/cm3）并扩大了恒定功率速度范围。高的过电流能力和低转动惯量，使电机具有很高的动态性能[10]，如图5所示。LPMR电动机能够通过一个三相或者三个三相逆变器供电，兼顾了低功率驱动和高功率驱动的能力，同时具有非常高的效率和低脉动转矩，仅有定子损耗，使冷却系统最小化。坚固的转子保证电机可靠的高速运行，每一块永磁体有机械和化学防护，延伸了电机恒功率调速范围。

结论。介绍一种新型LPMR大功率永磁同步电动机，采用嵌入式带磁阻支持的径向高性能磁钢结构，根据相复励分流励磁原理，配以THYRIPART励磁系统，磁阻转矩特性好，能在较大的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数。并装有压降补偿装置与铂热电阻传感器，能很好的保护用电设备，同时运行平稳，重量轻，体积小，现场使用方便，可广泛应用于工程实际中。

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