上官璇峰;李正修;蒋思远
【摘 要】Aiming at the low efficiency and power factor of the low power induction motor, a new motor-line-start permanent magnet synchro-nous motor with slotted solid rotor was studied. which was transformed by existing three-phase induction motor, The motor developed by utili-zing the stator of the Y90L-4, 1. 5 kW induction motor and redesigning the rotor was presented after the analysis for the induction motor. With a solid structure, the rotor was grooved along the outer circumference of its core, which contained built-in permanent magnet poles. Through the finite element calculation, the influence of rotor grooves parameters on the line-start ability and steady-state performance of the motor were analyzed, then the regularity was summarized. Finally, the starting and steady-state performance were compared between the in-duction motor and based on the improved LSPMSM with slotted solid rotor. The results indicate that the LSPMSM with slotted solid rotor has bigger starting torque ratio and higher power factor under different load torque tha
n that of the induction motor.%针对小功率感应电动机效率较低、功率因数不高等问题,对已有的三相感应电动机改造为一种新型同步电机-开槽实心转子自起动永磁同步电动机进行了研究.对Y90L-4,1.5 kW型感应电动机进行了分析,利用其定子,重新设计一新型转子.所设计的转子采用实芯结构,沿转子铁芯外圆周开槽,且铁芯内置永磁极.利用有限元计算并分析了转子槽参数对电机自起动能力和稳态运行性能的影响,归纳出了其中的规律性.最后对比了感应电动机和基于改进的开槽实心转子自起动永磁同步电动机的起动和稳态运行性能.研究结果表明:开槽实心转子自起动永磁同步电动机的起动转矩倍数更大,不同负载转矩下的功率因数更高. 【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2017(034)011
【总页数】6页(P1293-1298)
【关键词】开槽实芯转子;永磁同步电动机;自起动;稳态运行性能
【作 者】上官璇峰;李正修;蒋思远
【作者单位】河南理工大学 电气学院,河南 焦作454000;河南理工大学 电气学院,河南 焦作454000;河南理工大学 电气学院,河南 焦作454000
【正文语种】中 文
【中图分类】TH39;TM351
感应电动机在各行各业得到了广泛应用[1]。但是，小功率感应电动机的效率较低，功率因数不高，因此对其进行节能改造很重要[2]。带鼠笼绕组的自起动永磁同步电动机不仅克服了感应电动机效率和功率因数低的缺点，而且保留了感应电动机能够直接起动的优点。然而，这类电机仅仅应用于对起动性能要求不高的场合。
近几年来，在开槽实芯转子异步电动机的基础上衍生出了一种新型同步电机—开槽实芯转子自起动永磁同步电动机。文献[3-6]中介绍了开槽实芯转子自起动永磁同步电动机的良好性能。这种类型的自起动永磁同步电动机在重载和大转动惯量的工况下具有更好的同步能力[7]。大起动转矩是实芯转子所固有的优势，而且在实芯转子表面开槽可增大其牵入同步能力[8]。和带鼠笼绕组的自起动永磁同步电动机相比较，该开槽实芯转子自起动永磁同步
电动机结构和制造工艺更简单、更坚固、成本更低，尤其适合于高速电机。因此对其进行研究与制造显得十分有意义。
本研究计算分析转子槽参数和永磁体磁化高度对开槽实芯转子自起动永磁同步电动机起动和运行性能的影响。
开槽实芯转子自起动永磁同步电动机的基本结构如图1所示。
利用实芯转子表面的凹槽迫使定子旋转磁场浸入实芯转子铁芯的更深层，增大能量转换的媒介，从而使电机产生更高的电磁转矩。
瞬态分析采用场路耦合的方法，将外电路方程和有限元方程联立起来，把电机的端电压作为已知量[9-10]。本研究考虑到有限元求解过程中非线性问题的存在，采用牛顿迭代法进行求解。瞬态分析的主要问题在于求出转矩之前，需要先计算出每一步对应于转子实体中的感应电流。
对数天线
本研究以一台4极，1.5 kW的三相开槽实芯转子自起动永磁同步电动机作为研究对象，其设计参数如表1所示。
2.1.1 槽数对起动性能的影响
在电机带额定负载的工况下，槽深10.7 mm，槽宽0.8 mm，调整槽数进行讨论转子铁芯槽数对起动性能和转速波动的影响如图2所示。
由图2(a)可见，槽数40个，电机具有较好的起动性能。随着槽数的增加，起动性能总体趋势为先优后差，存在一个最优值。由图2(b)可得，槽数40个，电机稳态运行转速波动最小。综合而言，槽数40个，电机不仅起动性能良好，而且稳态运行最平稳。需要说明的是，本研究采用方差描述电机稳态运行时转速波动大小，计算转速方差采用的公式为：
式中：Xi—随机变量；样本均值；n—样本数目；S2—方差。
2.1.2 槽数对运行性能的影响
不同槽数对运行性能的影响如图3所示。
珠光膜
由图3(a)可得，槽数越多，气隙磁密基波幅值越大。从图3(b)看出，槽数越多，定子电流越小。由图3(c)可得，随着槽数的增加，电机的效率变化于77%～80%之间，槽数32个，电机的效率最高。此外，槽数越多，功率因数越大。
2.2.1 槽宽对起动性能的影响
转子铁芯槽宽对起动性能和转速波动的影响如图4所示。骨灰盒寄存架
在电机带额定负载的工况下，槽数40个，槽深10.7 mm，调整槽宽进行讨论。从图4(a)看出，槽宽0.4 mm，电机的起动性能较差，其他情况下，电机的起动性能均较好。从图4(b)看出，槽宽在0.4 mm～0.8 mm之间，电机稳态运行转速波动较小，槽宽大于0.8 mm，电机稳态运行转速波动非常大。综合而言，槽宽0.6 mm，电机不仅起动性能良好，而且稳态运行最平稳。
2.2.2 槽宽对运行性能的影响
不同槽宽对运行性能的影响如图5所示。
由图5(a)可得，槽宽越宽，气隙磁密基波幅值越大。从图5(b)看出，槽宽越宽，定子电流越小。由图5(c)可得，槽宽越宽，效率和功率因数越大。值得一提的是，槽宽由0.6 mm增加到0.8 mm，功率因数增加了0.08。
2.3.1 槽深对起动性能的影响
槽深对起动和运行性能的影响，在电机带额定负载的工况下，槽数40个，槽宽0.6 mm，永磁体磁化高度3.58 mm，永磁体极弧系数0.933，隔磁桥径向高度0.566 mm，调整槽深进行讨论转子铁芯槽深对起动性能和转速波动的影响如图6所示。
从图6(a)看出，槽深8.7 mm，电机的起动性能较差，其他情况下，电机均具有较好的起动性能。从图6(b)看出，槽深10.7 mm，电机稳态运行转速波动最小。综合而言，槽深10.7 mm，电机不仅起动性能良好，而且稳态运行最平稳。
2.3.2 槽深对运行性能的影响
不同槽深对运行性能的影响如图7所示。
由图7(a)可得，槽深越深，气隙磁密基波幅值越小。从图7(b)看出，槽深越深，定子电流越大。由图7(c)可得，槽深越深，效率和功率因数越小。
永磁体磁化高度对起动和运行性能的影响，在电机带额定负载的工况下，槽数40个，槽宽0.6 mm，槽深9.7 mm，永磁体极弧系数0.933，隔磁桥径向高度0.566 mm，调整永磁体磁化高度进行讨论。永磁体磁化高度对起动性能和转速波动的影响如图8所示。
从图8(a)看出，永磁体磁化高度增加，电机的同步能力变差。由图8(b)可得，永磁体磁化高度增加，电机稳态运行转速波动变小。综合而言，永磁体磁化高度增加对电机的影响有利有弊。
不同永磁体磁化高度对运行性能的影响如图9所示。
由图9(a)可得，永磁体磁化高度增加，气隙磁密基波幅值略微增大。从图9(b)看出，永磁体磁化高度增加，定子电流略微减小，这是由于A3钢的磁导率低且转子上漏磁多的缘故。由图9(c)可得，永磁体磁化高度增加，效率和功率因数略微增大。
槽数40个，槽宽0.8 mm，槽深6.23 mm，永磁体极弧系数0.827，永磁体磁化高度3.58 mm，隔磁桥径向高度0.566 mm，对比电机的起动和运行性能。不同负载转矩下运行性能比较如图10所示。
由图10(a)可得，开槽实心转子电机的起动转矩倍数更大。由图10(b)可得，负载转矩越大，两电机效率之间的差值越小。感应电机额定负载时，两电机效率几乎相等。由图10(c)可得，轻载时,开槽实心转子电机的功率因数平均高出感应电机0.1，负载超过20%额定负载后，功率因数平均高出将近0.21。
本研究采用有限元法计算分析了转子槽参数以及永磁体磁化高度对电机起动和运行性能的影响，得出以下结论：
(1)就电机起动性能最优且稳态运行时转速波动最小而言，槽数40个、槽宽0.6 mm、槽深10.7 mm；
(2)槽数越多或槽宽越宽，合成磁场径向气隙磁密基波幅值越大。相反，槽深越深，合成磁场径向气隙磁密基波幅值越小；
(3)就电机起动性能而言，永磁体磁化高度增加，电机的同步能力变差，稳态运行时转速波动变小。同样，就电机稳态运行性能而言，永磁体磁化高度增加，定子电流减小，效率和功率因数增大，但永磁体磁化高度增加到一定值以后，由于A3钢的磁导率低且转子上漏磁多的缘故，定子电流略微减小，效率和功率因数略微增大；手动折弯机
(4)若希望电机获得较高的效率和功率因数，又兼顾良好的起动性能，槽数40个、槽宽0.8 mm、槽深9.7 mm，是一个理想的选择。
本文引用格式：上官璇峰，李正修，蒋思远.转子槽参数对开槽实芯转子永磁电机的影响[J].
机电工程，2017，34(11)：1293-1298.
SHANG-GUAN Xuan-feng, LI Zheng-xiu, JIANG Si-yuan. Influence of rotor slots parameters on permanent-magnet motor with slotted solid rotor[J].Journal of Mechanical amp; Electrical Engineering, 2017,34(11):1293-1298.
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