自起动永磁同步电动机研究开发与分析

刘立军 张映明 康基宏

（东元总合科技（杭州）有限公司，杭州 310013）

1 引言

工业生产离不开电动机。IEC60034-30指出：全世界工业用电动机消耗了总发电量的30%～40%，其系统优化节能潜力可达到30%～60%；国际能源署电动机工作组报告 ：电动机通过改善效率结合变频调速可以节约世界范围内7%的电能，其中1/4～1/3的节约可来自于改善电动机的效率。欧盟“提高高效电动机和驱动的市场份额”，SAVEⅡ研究报告显示∶工业用电动机消耗电能占工业用电消耗的73%。中国是个发展中国家，相对欧美发达国家，中国工业发展比中国第三产业和占人口 60%～70%的农村要快很多。

因此，工业用电动机消耗的电能的比例应比已开发国家和地区更高（估计占总发电量的 40%以上），且工业各不同行业的结构和总量比例也与已开发国家和地区不同[1]。

因此电动机系统节能意义重大。而对于小功率异步电动机而言，由于其结构及生产工艺特点，为满足新的国际标准，将会遇到很多困难。因此以永磁同步电动机来替代异步电动机将具有非常明朗的发展前景。

2 永磁电动机设计特点

2.1 定子齿轭比例分布

永磁电动机与异步电动机的电磁设计上有较大差异。因为永磁电动机的气隙磁场时矩形波，其计算极弧系数可以高达 0.9以上，而异步电动机的计算极弧系数为正弦波，其计算计算极弧系数一般为0.63.所以永磁电动机每极磁通较平均的分配到齿部，而异步电动机每极磁通主要集中在每极中心线处的几个齿上，容易形成局部磁场饱和。

从图1可以明显看出磁场在定子齿部的分布情况符合上述分析。因此从电动机定子铁心结构看，相同定子齿部结构下，永磁电动机的轭部高度要大于异步电动机的高度。所以当采用原来异步电动机定子为永磁电动机定子时，在满足定子轭部磁密的条件下，气隙磁密和定子齿部磁密都较小。如果要合理设计永磁电动机，定子结构必须重新设计。

2.2 永磁电动机转子槽数的选择

自起动永磁同步电动机定转子槽配合要求如下所示[2]：

图1 不同电动机的磁场分布

（1）考虑转子磁路对称性，转子槽数为极数的整数倍，且采用多槽远槽配合。

（2）为避免起动过程中产生较强的异步附加转矩，应满足 Qr≤1.25×(Qs+P)。

（3）为避免产生同步附加转矩，应满足 Qr≠Qs；Qr≠Qs±P；Qr≠Qs±2P 。

（4）为避免单向震动力，应满足 Qr≠Qs±1；Qr≠Qs±P±1。

以Qs=48为例，根据第一条，转子槽数应为36，40，44，48，52，56，60等；根据第二条，转子槽数应小于62；根据第三条，44，48，52不能作为转子槽数；因此能够满足转子槽数的只有36，40，56，60。对于 10HP的小电动机，转子槽数不能太多，否则增加工艺难度。而36槽可能会导致起动困难，所以转子槽数选择为40。对于大功率永磁电动机，为了降低转子电密，转子槽数选择为56。

2.3 定子斜槽

为了提高电动机性能，降低电气参量中的谐波含量，一般定子绕组采用短距绕组（单层绕组不能实现），并且采用斜槽来实现。但是永磁同步电动机转子要插入永磁体，因此转子导条斜槽或永磁体斜极都难以实现。所以只能采用定子斜槽。下面以Qs=48，Qr=40电动机为例，分析定子槽斜不同的电角度，对绕组反电动势的影响。

从图2到图5可以看出，当定子采用斜槽时，基波，5次谐波，7次谐波基本上无影响。而定转子齿谐波明显下降，当定子斜槽距离为一个齿距时，各次齿谐波基本上抵消了。所以从设计角度出发，定子需要采用斜槽。而目前异步电动机的定子都为直槽，所以批量生产必须调整生产线。

图2 定子绕组反电动势基波分量随定子斜槽距离的变化

图3 定子绕组发电动势5次和7次谐波含量随定子斜槽距离的变化

图4 转子齿谐波含量随定子斜槽距离的变化

图5 定子齿谐波含量随定子斜槽距离的变化

3 高效永磁同步电动机开发案例分析

2009年东元-西屋开发了一款10HP高效永磁电动机。主要技术参数见表1。

表1 10HP永磁高效马达额定技术参数

3.1 高效永磁同步电动机性能有限元分析

（1）定子绕组空载反电动势分析

图6 定子绕组空载反电动势谐波分析

从图6可以看出，定子绕组谐波含量主要为三次谐波，采用绕组Y接，可以消除。

（2）空载气隙磁密谐波分析

（3）高效马达起动性能分析

图7 空载气隙磁密谐波分析（不考虑定子斜槽）

图8 电动机在起动过程中转速的变化（负载和空载）

图9 电动机起动过程中电磁转矩的变化（负载和空载）

3.2 样机实验数据分析

表2 10HP高效永磁马达实测数据比较

图10 定子电流与输出功率的变化关系

图11 效率与输出功率的变化曲线

图12 功率因子与输出功率的变化曲线

从上述各图可以看出，实测性能比设计性能理想，超过IE4的要求。

4 结论

近年来，随着国际上节能环保的意识越来越强，作为工业生产中耗电量最大的动力设备，提高其效率有着重要的意义。

对于目前市场上应用广泛的中小型异步电动机，要想进一步提高其效率，困难重重，如成本高，生产工艺复杂等特点。因此高效永磁同步电动机将是满足新的能效等级的适宜选择。

[1]陈伟华.电动机系统节能综述.2008第三届电工装备与创新发展论坛论文.2008.

[2]王秀和.永磁电机[M].北京∶中国电力出版社,2007.